铜银共掺杂TiO2纳米颗粒在废水处理中的光催化氧化协同增强效应研究

针对工业废水污染物难降解问题，研究人员通过Cu/Ag共掺杂TiO2纳米颗粒，结合XANES、EXAFS等先进表征技术，揭示了掺杂诱导的氧空位增加及电子-空穴复合抑制机制。0.3%Cu-TiO2对亚甲基蓝降解率达90%，速率常数达3.39×10-3 min-1，为多金属协同改性光催化剂设计提供了理论依据。

　　

工业废水处理正面临严峻挑战，污染物成分复杂且传统方法难以彻底降解，残留的重金属、有机化合物和病原微生物持续威胁生态环境和公众健康。光催化技术因其高效、环保的特性成为研究热点，其中二氧化钛(TiO₂)因其稳定性和低成本成为首选材料。然而，TiO₂的宽禁带宽度(~3.2 eV)限制了其对可见光的利用，且光生电子-空穴对快速复合的问题严重制约了其实际应用。

针对这些瓶颈，泰国国家纳米技术中心等机构的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了一项突破性研究。研究人员创新性地采用干湿球磨溶胶-凝胶法(DWBMS)合成Cu/Ag共掺杂TiO₂纳米颗粒，通过固定3 mol% Ag含量并系统调节Cu掺杂浓度(0.3-1 mol%)，深入探究了双金属协同效应。

研究主要运用X射线吸收近边结构(XANES)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)解析原子局部结构，结合X射线光电子能谱(XPS)和莫特-肖特基分析等先进表征技术。结果显示：Cu掺杂促使TiO₂晶相向锐钛矿转变，且Cu含量增加导致氧空位显著增多；0.3%Cu-TiO₂表现出最优的亚甲基蓝降解效率(90%)和速率常数(3.39×10^-3 min^-1)，其平带电位负移和电荷转移阻抗降低证实了协同掺杂对载流子分离的促进作用。

材料与表征
研究采用钛异丙醇酯(TTIP)为前驱体，通过DWBMS法实现均匀掺杂。XANES证实Cu掺杂使TiO₂相变趋向锐钛矿，EXAFS揭示了Ti-Cu/Ag键合及氧空位形成机制。XPS检测到Ti⁴⁺/Ti³⁺、Ag⁰/Ag⁺和Cu²⁺多价态共存，DRS显示共掺杂使带隙缩小至2.8 eV。

光催化性能
0.3%Cu-TiO₂在可见光下表现出最高降解活性，其速率常数是纯TiO₂的4.6倍。1%Cu/Ag-TiO₂虽活性略低(1.62×10^-3 min^-1)，但EIS显示其电荷转移电阻最低，表明高Cu含量可能通过形成Cu²⁺还原位点影响载流子迁移。

光电化学特性
莫特-肖特基测试证实所有样品均为n型半导体，0.3%Cu-TiO₂具有最负的平带电位(-0.82 V vs. Ag/AgCl)。反常的是1%Cu-TiO₂出现负光电流，推测源于Cu物种的光还原反应。

该研究不仅阐明了Cu/Ag共掺杂通过调控TiO₂能带结构和表面化学状态增强光催化活性的机制，更创新性地将抗菌金属Ag与催化活性Cu相结合，为开发兼具高效降解和消毒功能的多功能水处理材料提供了新思路。研究揭示的"适度Cu掺杂优化氧空位浓度，过量掺杂导致复合中心形成"的规律，对其它半导体催化剂设计具有普适性指导意义。