La-Fe共掺杂TiO2 负载LDH/MIL-101(Fe)三元复合光催化剂的构建及其高效降解煤化工废水中吡啶的机理研究

为解决煤化工废水中难降解氮杂环污染物（如吡啶）的环境风险问题，研究人员通过水热法构建了LDH/MIL-101(Fe)/La-Fe-TiO2 三元复合光催化剂。该材料通过La-Fe共掺杂拓宽可见光响应范围（带隙降至2.8 eV），协同LDH/MOF的168.96 m2 /g高比表面积，在4小时内实现96.1%吡啶降解率（伪一级动力学R2 =0.99），且循环5次后效率仍达94.5%。研究阐明了h+ ?OH > ?O2 ? 的活性物种作用序列，为工业废水处理提供了新型稳定催化剂。

　　

煤化工废水中的氮杂环化合物（NHCs）因其高毒性、难降解性和致癌风险成为环境治理难题。其中吡啶作为典型污染物，传统物理处理方法仅能实现相转移而非彻底降解。尽管TiO₂
光催化技术具有氧化分解污染物的潜力，但其窄光谱响应范围（<380 nm）、高电子-空穴复合率及粉末回收困难等问题严重制约应用。层状双金属氢氧化物（LDH）和金属有机框架（MOF）材料虽各有吸附优势，但分别面临易团聚和分离能耗高的缺陷。如何整合材料优势并突破可见光催化效率瓶颈，成为解决实际废水处理需求的关键科学问题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Results in Chemistry》发表研究，创新性地将钴铝层状双氢氧化物（CoAl-LDH）、铁基MOF（MIL-101(Fe）与镧铁共掺杂TiO₂
通过水热法复合，构建了LDH/MIL-101(Fe)/La-Fe-TiO₂
三元催化剂。研究采用扫描电镜（SEM）观察材料形貌，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定光吸收特性，X射线光电子能谱（XPS）分析元素化学态，并结合电子顺磁共振（EPR）和自由基淬灭实验揭示反应机制。

3.1 催化剂表征分析
SEM显示LDH呈现片层结构（图1a），MIL-101(Fe)与La-Fe-TiO₂
纳米颗粒均匀负载于LDH表面（图1d）。BET测试表明复合后比表面积达168.96 m²
/g（表1），较纯TiO₂
（19.97 m²
/g）提升8倍，归因于LDH/MOF的协同孔隙结构（图2）。XPS证实La³⁺
和Fe³⁺
成功掺杂进入TiO₂
晶格，其中Ti 2p结合能位移表明形成Ti-O-Fe键（图3）。UV-Vis显示复合催化剂吸收边红移至550 nm（图5），带隙能降至2.3 eV，显著优于纯TiO₂
（3.2 eV）。

3.2 光催化性能优化
在25°C、300 rpm和400 W氙灯条件下，4小时降解率达96.1%。动力学分析符合伪二级模型（R²
=0.99），表明化学吸附主导过程（图9）。温度实验显示35°C时效率下降（图6），因高温导致水分蒸发；搅拌速度提升促进溶解氧生成?O₂
^?
（图7）；光强超过400 W后效率增长放缓（图8）。自由基淬灭实验确定活性物种贡献顺序为h⁺

?OH > ?O₂
^?
（图4d），EPR检测直接捕获到DMPO-?OH和DMPO-?O₂
^?
信号（图4b-c）。

3.3 机理与路径解析
La³⁺
在TiO₂
导带底引入La 3d杂质能级作为电子陷阱，Fe³⁺
在价带顶形成窄带能级，共同降低带隙并抑制电子-空穴复合（图10）。GC-MS检测到二甲基甲酰胺（m/z=73）和丙二醛（m/z=72）等中间产物（表5），最终矿化为CO₂
和NH₃
-N（图11）。

该研究通过多材料协同和双金属掺杂策略，同时解决了催化剂吸附容量、可见光响应和回收稳定性三大难题。相比同类材料（表4），其降解效率提升30%以上，且循环性能优异。未来研究可深入探究材料-污染物分子相互作用位点，并评估实际废水中共存物质的影响。这项工作为设计高效稳定的工业废水处理催化剂提供了新思路，对推进煤化工行业绿色发展具有重要意义。