Sr掺杂Bi4Ti3O12光催化剂的简易合成及其在太阳光下高效降解孔雀石绿染料的应用研究

本研究针对工业染料废水处理难题，通过溶胶-凝胶法合成Sr掺杂Bi4Ti3O12(Sr-BTO)光催化剂。实验表明3% Sr-BTO在太阳光下60分钟内对孔雀石绿(MG)的降解率达87%，较未掺杂样品提升40%，其窄带隙(2.61 eV)和稳定晶型结构为环境治理提供了高效可持续的解决方案。

　　

随着纺织、印染等行业的快速发展，含有孔雀石绿(MG)等有毒染料的工业废水已成为严峻的环境问题。这类合成染料不仅难以生物降解，还具有致癌性，传统处理方法如吸附、氯氧化等存在效率低、二次污染等缺陷。半导体光催化技术因其绿色高效的特点备受关注，其中铋基钙钛矿氧化物Bi₄Ti₃O₁₂(BTO)因其独特的层状结构成为研究热点，但纯BTO存在带隙宽(2.95 eV)、载流子复合率高等瓶颈。

针对这一挑战，研究人员通过溶胶-凝胶法成功制备了Sr掺杂的Bi₄Ti₃O₁₂光催化剂。研究团队系统考察了不同Sr掺杂比例(2-4 wt%)对材料性能的影响，发现3% Sr-BTO在太阳光照射下60分钟内对40 ppm MG溶液的降解率高达87%，较未掺杂BTO提升近40%。该材料经过5次循环使用后仍保持85%的活性，相关成果发表在《Next Materials》期刊。

研究采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等技术表征材料结构，通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)分析比表面积，并利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)鉴定降解产物。光电化学测试和活性物种捕获实验揭示了作用机制。

结构表征显示：XRD证实Sr-BTO保持正交晶系结构，Sr²⁺成功取代Bi^{3+位点，晶粒尺寸从47.4 nm增大至51.2 nm。UV-Vis DRS显示掺杂后带隙从3.0 eV降至2.6 eV，显著提升可见光响应。BET分析表明3% Sr-BTO比表面积达22.573 m2/g，是纯BTO的3倍。}

光催化性能研究发现：在pH=8、催化剂剂量20 mg、MG浓度40 ppm的优化条件下，3% Sr-BTO表现最佳。瞬态光电流测试证实其载流子分离效率显著提高。活性物种捕获实验表明超氧自由基(^·O₂^-)和空穴(h⁺)是主要活性物质。

机理研究表明：Sr掺杂在BTO晶格中形成电子缺陷态，有效抑制电子-空穴复合。能带结构计算显示Sr-BTO的导带(CB)和价带(VB)位置分别为0.13 eV和2.73 eV，有利于产生活性氧物种。X射线光电子能谱(XPS)证实材料中Bi、Ti、Sr分别保持+3、+4、+2价态。

这项研究创新性地通过离子半径匹配的Sr掺杂策略，显著提升了BTO的光催化性能。其重要意义在于：1) 开发出可规模化制备的太阳光驱动催化剂；2) 阐明了碱土金属掺杂调控半导体能带的机理；3) 为处理工业染料废水提供了经济高效的解决方案。该工作为设计新型环境功能材料提供了重要参考，推动光催化技术在实际废水处理中的应用进程。