碳载体结构对TiO2 /N-TiO2 光催化灭活水中大肠杆菌的增效机制研究

为解决传统水消毒方法成本高、效率低的问题，印度CSIR与SERB支持的研究团队通过溶胶-凝胶法制备了碳载体（CGS/CNP/AC）负载的TiO2 和N-TiO2 纳米复合材料。研究发现，CGS载体在UV-可见光下表现出最优异的光催化灭菌性能，其增效机制源于载体形貌与粒径对电荷分离和ROS生成的调控，为低成本水净化提供了新策略。

　　

论文解读
水安全是人类健康的基石，但传统消毒技术如氯化、臭氧处理等存在化学残留和能耗高的缺陷。尤其对水中大肠杆菌(E. coli)——这种可引发腹泻、尿路感染甚至溶血性尿毒症的革兰氏阴性菌，现有方法难以兼顾高效与可持续性。光催化技术通过半导体材料在光照下产生活性氧(ROS)的特性，为水净化提供了绿色解决方案。其中二氧化钛(TiO₂
)因成本低、无毒且稳定成为研究热点，但其宽禁带(3.2 eV)导致仅能利用紫外光，限制了太阳能利用率。氮掺杂(N-TiO₂
)虽可拓展可见光响应，但电荷复合率高仍是瓶颈。

为此，印度科学和工业研究委员会(CSIR)与科学与工程研究委员会(SERB)资助的研究团队创新性地将TiO₂
/N-TiO₂
与三种碳材料（活性炭AC、纳米碳粉CNP、玻璃碳球CGS）复合，系统探究了载体形貌对光催化灭菌性能的影响。论文发表于《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》，揭示了碳载体结构设计对提升光催化效率的关键作用。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法合成复合材料，通过场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)分析形貌，X射线衍射(XRD)鉴定晶相，X射线光电子能谱(XPS)验证氮掺杂状态，傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征表面基团。光催化实验在UV和UV-可见光下评估E. coli灭活效率，菌液浓度达10⁷
CFU/mL。

研究结果
材料表征
TEM显示TiO₂
纳米颗粒(<10 nm)均匀负载于碳载体，XPS证实Ti⁴⁺
氧化态和氮的成功掺入。CGS载体因球形形貌和1-12 μm粒径提供了最大比表面积。

光催化性能
所有碳载体复合材料均显著提升灭菌效率，UV-可见光下活性优于纯UV。CGS负载的N-TiO₂
表现最佳，归因于其独特形貌促进电荷分离，且碳的高电子存储能力延缓电子-空穴复合。

结论与意义
该研究证实碳载体形貌是调控光催化性能的关键因素：CGS的球形结构通过优化载流子传输路径和ROS生成效率，使N-TiO₂
/CGS对E. coli的灭活率比未负载样品提高3倍。这一发现为设计"吸附-光催化"双功能材料提供了新思路，尤其适用于太阳能驱动的分布式水处理系统。团队进一步指出，未来可通过调控碳载体孔径分布和表面官能团，实现更高效的可见光响应型催化剂，推动光催化技术从实验室走向实际应用。