TiO2 纳米颗粒光催化降解新兴污染物的多相结构调控与性能优化研究

本研究针对水体中磺胺噻唑(STz)、双酚和扑热息痛等新兴污染物的高效去除难题，通过热分解法合成多晶型TiO2 NPs（23-135 nm），系统探究了粒径、晶相（锐钛矿/金红石）与表面特性对光催化效率的影响。发现P25样品（21 nm，混相）展现最佳降解性能（STz 99%/120 min），揭示了表面面积与晶相协同作用机制，为定制化环境催化剂设计提供理论依据。

　　

随着工业发展和药物滥用，水体中磺胺噻唑(STz)、双酚和扑热息痛等新兴污染物持续累积，不仅威胁生态系统，更可能通过诱导抗生素耐药性危害人类健康。传统水处理技术难以有效分解这些顽固分子，而半导体光催化技术因其强氧化能力被视为理想解决方案。在众多催化剂中，二氧化钛(TiO₂
)因其低成本、无毒性和稳定性能备受关注，但其实际应用仍受制于效率不足——纳米颗粒易团聚、晶相调控困难、特定污染物适配性差等问题亟待突破。

为破解这一难题，来自中国的研究团队在《Next Materials》发表创新研究，通过精确调控TiO₂
纳米颗粒的合成策略，构建了粒径跨度23-135 nm、含锐钛矿(A)、金红石(R)不同晶相的六种材料体系。研究发现商业样品P25（25 nm，A+R混相）对STz的降解速率常数(k₁
)达0.0448 min^-1
，较自制P23提升近5倍，证实表面面积（70 vs 40 m²
/g）和晶相协同是关键因素。更引人注目的是，同一催化剂对不同污染物展现选择性：P25处理扑热息痛仅需150分钟，而结构复杂的双酚需360分钟，这为"一剂多效"环境治理策略提供了重要参考。

研究团队采用水解-缩合结合热处理法制备P23样品，通过X射线衍射(XRD)分析晶相组成，透射电镜(TEM)表征形貌，紫外-可见漫反射(DRS)测定带隙，并建立自制光反应器评估降解效率。关键实验使用100 mg催化剂处理10 mg/L污染物溶液，通过伪一级动力学模型量化性能差异。

材料特性调控
TEM显示P23存在严重团聚现象，而P25分散均匀。XRD证实P128/P135为纯锐钛矿相，P37为纯金红石相，三者表面面积均<10 m²
/g。DRS测得带隙能在2.8-3.3 eV间波动，但未发现与粒径的明确关联，暗示晶相混合可能抵消量子尺寸效应。

光催化性能比较
STz降解实验显示：P25在120分钟内实现完全降解，而P23需360分钟。动力学分析揭示表观速率常数与BET表面积呈正相关（R²

0.97）。值得注意的是，尽管P23与P25粒径相近，但其团聚倾向导致活性位点减少，印证"有效表面"理论。

污染物特异性响应
对比实验发现：扑热息痛因分子结构简单更易降解，P25/P36在150分钟内去除率>95%；而双酚因苯环结构稳定需更长时间。特别的是，P23对扑热息痛表现（73%/120 min）反超其对STz的活性（75%），表明污染物-催化剂界面作用存在分子识别机制。

这项研究创新性地揭示了TiO₂
光催化剂设计中"尺寸-晶相-表面"的三元调控规律：1）20-30 nm粒径范围可实现载流子快速迁移与高比表面平衡；2）锐钛矿-金红石混相通过能带匹配促进电荷分离；3）抑制颗粒团聚是保持活性表面的关键。该成果不仅为环境污染物定制化处理提供材料设计指南，其提出的"污染物-催化剂结构适配性"概念更可延伸至其他催化体系研究。未来通过表面修饰或异质结构建进一步优化界面反应路径，或将推动光催化技术在实际水处理工程中的大规模应用。