TiO2 基异质结催化剂（Ti-X, X=Zn/Cu/Fe）降解甲苯的理论与实验研究：电子结构调控与吸附机制解析

针对挥发性有机物（VOCs）中甲苯的高效降解难题，研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算与实验验证相结合，系统研究了ZnO-TiO2 、Cu2 O-TiO2 和Fe2 O3 -TiO2 异质结催化剂的吸附性能与能带结构。发现Cu2 O-TiO2 吸附能达-2.9 eV，且异质结显著降低TiO2 带隙，为高性能催化剂设计提供理论依据。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机物（VOCs）污染已成为威胁人类健康和环境安全的重大挑战。其中，甲苯作为典型VOCs组分，因其高毒性和难降解特性备受关注。传统处理技术如吸附法虽成熟但存在二次污染风险，而TiO₂
光催化技术虽能直接将VOCs矿化为CO₂
，却受限于其3.12 eV的宽带隙，仅能利用占太阳光5%的紫外光。更棘手的是，光生电子-空穴对的高复合率进一步制约了催化效率。如何通过材料设计突破这些瓶颈，成为环境催化领域的研究热点。

针对这一难题，北京工业大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项创新研究。他们以TiO₂
为基底，分别与ZnO、Cu₂
O和Fe₂
O₃
构建三类异质结催化剂，通过理论计算与实验验证的双轨策略，系统揭示了异质结界面电子转移机制与甲苯降解的构效关系。

研究主要采用密度泛函理论（DFT）计算吸附能、态密度（DOS）和电荷密度差分，结合分子动力学（MD）模拟吸附构型，并通过溶胶-凝胶法合成催化剂进行实验验证。

分子模拟
DFT计算显示，甲苯分子在异质结表面以水平吸附为主导构型。其中Cu₂
O-TiO₂
表现出最强的吸附能力（-2.9 eV），远超单一组分。通过投影态密度（PDOS）分析发现，苯环碳原子与异质结表面原子形成化学键，这是强吸附的关键。电荷密度差分图谱证实，异质结界面存在明显的电荷重分布。

能带工程
理论计算首次揭示：三类异质结均能有效降低TiO₂
带隙，其中Fe₂
O₃
-TiO₂
因Fe₂
O₃
的窄带隙特性（2.2 eV），使复合体系可见光响应显著增强。DOS分析表明异质结界面形成了新的电子态，这为光生载流子分离提供了通道。

实验验证
催化降解实验证实，Cu₂
O-TiO₂
对甲苯的降解效率较纯TiO₂
提升3.2倍，且循环稳定性良好。这与理论预测的强吸附特性和低载流子复合率高度吻合。

结论与讨论
该研究通过多尺度模拟与实验的交叉验证，明确了异质结催化剂的三重优势：通过能带匹配实现可见光捕获扩展；借助界面化学键增强底物吸附；利用内建电场促进电荷分离。特别是发现Cu₂
O-TiO₂
体系中甲苯分子通过苯环碳与表面铜原子形成σ键的创新机制，为后续催化剂活性位点设计提供了精确靶点。

这项工作的突破性在于首次建立了TiO₂
基异质结"电子结构-吸附性能-催化活性"的定量关系模型，不仅解决了传统TiO₂
催化剂对甲苯吸附弱、可见光利用率低的双重困境，更为复杂VOCs降解催化剂的设计开发了可编程的理论预测方法。研究团队特别指出，未来可通过机器学习进一步优化异质结组分比例，实现催化性能的精准调控。