不同尺寸TiO2 微球通过绿色途径高效去除含铬废水的机理与应用研究

本研究针对重金属Cr(VI)污染治理难题，开发了一种通过调控油水比制备0.6-4 μm可调尺寸的锐钛矿型TiO2 微球（TMS）的溶胶-凝胶法。该材料具有260 m2 /g的高比表面积和介孔结构，在模拟太阳光下100分钟内实现20 mg/L Cr(VI)溶液99%的降解率，且循环稳定性优异。研究揭示了温度诱导纳米颗粒聚集的成球机制，为含铬废水处理提供了高效绿色的光催化解决方案。

　　

重金属污染尤其是六价铬(Cr(VI))对生态环境和人类健康构成严重威胁，其强毒性和高迁移性可引发致癌、致畸等风险。当前工业废水处理面临传统方法成本高、易产生二次污染的困境，而光催化技术因其温和反应条件和高效降解特性成为研究热点。二氧化钛(TiO₂
)作为经典光催化剂，其性能受形貌结构显著影响，但传统纳米材料存在难回收、比表面积有限等问题。

研究人员通过创新性溶胶-凝胶法结合煅烧工艺，以硫酸钛为前驱体成功构建了尺寸可调(0.6-4 μm)的锐钛矿型TiO₂
微球(TMS)。该材料具有独特的层次结构：表面由10 nm左右纳米颗粒自组装形成，内部呈现200-260 m²
/g的高比表面积和10-100 nm介孔分布。通过调控异辛烷/水界面比例实现尺寸精准控制，形成兼具纳米材料活性位点和微米材料易分离优势的新型光催化剂。

关键技术包括：扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征形貌，X射线衍射(XRD)和拉曼光谱确定晶相，BET法测定比表面积，X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学态，UV-Vis漫反射光谱(DRS)评估光学性质，以及模拟太阳光下Cr(VI)降解实验评价光催化性能。

【3.1 结构与形貌】SEM显示TMS呈现规整球形，表面由均一纳米颗粒密堆积构成，TEM证实内部存在丰富介孔。粒径分布测试表明四组样品平均尺寸分别为0.65 μm、1.24 μm、2.27 μm和3.88 μm。

【3.2 物理化学性质】BET测试显示TMS具有III型吸脱附曲线，孔径集中分布在10 nm。最大比表面积达258 m²
/g，孔体积1.29 cm³
/g，为反应物传输提供充足通道。

【3.3 相结构】XRD在25.3°出现强锐钛矿(101)晶面衍射峰，拉曼光谱395 cm^-1
和515 cm^-1
特征峰证实(001)晶面高度暴露，Scherrer方程计算晶粒尺寸9.4 nm与TEM结果一致。

【3.4 元素状态】XPS显示Ti2p_3/2
结合能458.8 eV证实Ti⁴⁺
存在，O1s谱中531.5 eV峰表明表面富含羟基，这些活性位点可捕获光生空穴形成·OH自由基。

【3.5 形成机制】提出"界面诱导-温度驱动"两步成球模型：油水界面促使Ti-OH基团自组装成核，85°C热处理引发纳米颗粒定向聚集完成微球构建。

【3.7 光催化性能】在pH=3.1条件下，10 mg TMS处理100 mL 20 mg/L Cr(VI)溶液，100分钟降解率达99%。四次循环后效率无显著下降，K₂
S₂
O₈
捕获实验证实电子(e^-
)是主要活性物种。

该研究突破传统溶胶-凝胶法难以制备单分散微球的限制，通过界面调控策略成功构建兼具高活性和易回收特性的TiO₂
光催化剂。提出的"吸附-穿梭"机制阐明介孔结构促进污染物富集于活性位点的过程，为工业废水处理提供新思路。未来通过掺杂改性或贵金属负载有望进一步提升对实际复杂水体的处理效能，推动光催化技术从实验室走向工程应用。论文发表于《Surfaces and Interfaces》，对发展绿色水处理技术具有重要指导意义。