TiO2 纳米颗粒光催化活性关键参数探索：结构调控与有机污染物高效降解机制

本研究针对环境污染治理需求，通过溶胶-凝胶法合成TiO2 纳米颗粒，系统探究了超声时间（1-5 h）对粒径分布（52-401 nm）、晶相结构（锐钛矿/金红石混合相）及光催化性能的影响。研究发现1小时超声优化的TiO2 （51 nm）在UV照射下对亚甲基蓝（MB）的降解效率达96.6%，其3.19 eV带隙和表面Ti-OH基团（FTIR验证）协同促进活性氧（ROS）生成。该工作为纳米材料环境应用提供了形貌-性能调控新策略。

　　

随着工业化和城市化进程加速，有机污染物治理已成为全球性挑战。传统处理方法存在效率低、二次污染等问题，而半导体光催化技术因其绿色高效特性备受关注。其中，二氧化钛（TiO₂
）因其优异的化学稳定性、生物相容性和光催化活性，被视为环境修复的理想材料。然而，块体TiO₂
存在比表面积低、光生载流子复合快等缺陷，纳米化虽能提升性能却易导致颗粒团聚。如何通过可控合成获得高分散、高活性TiO₂
纳米材料，成为当前研究的关键瓶颈。

针对这一科学问题，马来西亚理工大学的研究团队在《South African Journal of Chemical Engineering》发表了创新性成果。该研究通过溶胶-凝胶法合成TiO₂
纳米颗粒，系统考察了超声时间（1-5小时）对材料结构性能的影响，发现1小时超声处理的样品展现出最佳光催化活性，对亚甲基蓝（MB）的降解效率高达96.6%。这项工作为纳米材料在环境修复中的应用提供了重要理论依据和技术参考。

研究采用多尺度表征技术体系：通过UV-Vis光谱（紫外-可见分光光度计）测定带隙和粒径分布，Raman光谱（拉曼光谱仪）鉴定晶相组成，FTIR（傅里叶变换红外光谱）分析表面化学键，FESEM（场发射扫描电镜）观测形貌特征，XRD（X射线衍射）解析晶体结构，并结合动态光散射（DLS）量化超声对粒径的影响。光催化实验采用365 nm UV光源（3 W）评估MB降解动力学。

研究结果揭示以下重要发现：

1. 材料验证：溶胶-凝胶法合成的TiO₂
   经450°C煅烧后，带隙从3.9 eV降至3.19 eV，UV-Vis反卷积分析显示平均粒径52.84 nm，与FESEM结果（52±1.37 nm）高度吻合。
2. 超声优化：1小时超声处理使粒径最小化至51 nm，延长超声时间反而引发团聚（177-401 nm），证实存在最优超声窗口。
3. 结构特征：Raman光谱检测到516 cm^-1
   （锐钛矿Eg模式）和615 cm^-1
   （金红石A1g模式）特征峰，XRD进一步确认两相共存；FTIR发现3338 cm^-1
   处Ti-OH键和1643 cm^-1
   游离-OH，为ROS生成提供活性位点。
4. 光催化性能：优化样品在240分钟内实现96.6% MB降解，遵循一级动力学模型，60.5%的UV吸收率保障了高效光子利用。

结论与意义：
该研究创新性地通过超声时间调控解决了TiO₂
纳米颗粒分散性难题，建立的"结构-性能"关系模型表明：51 nm粒径与混合晶相的协同效应可最大化表面活性位点（Ti-OH）和载流子分离效率。特别是锐钛矿相（516 cm^-1
）主导的光生空穴与金红石相（615 cm^-1
）的电子传输通道共同促进了·OH和O₂
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的持续生成。这项工作不仅为环境污染治理提供了高效纳米催化剂，其提出的"超声-煅烧"双调控策略对功能纳米材料的可控制备具有普适性指导价值。未来研究可聚焦可见光响应拓展和实际废水处理验证，推动该技术从实验室走向工程应用。