PANI/TiO2纳米复合材料的无模板法合成及其对甲基橙降解的增强光催化活性研究

本研究针对工业废水中难降解有机污染物（如甲基橙MO）的治理难题，通过无模板化学氧化聚合法成功制备了聚苯胺（PANI）/TiO2纳米复合材料（PANITO）。该材料在低功率紫外光（8 W）下40分钟内实现98.4%的MO降解率，其优异性能源于p-n异质结、一维形貌和高结晶度。研究成果为环境修复提供了高效低成本的光催化解决方案。

　　

纺织、印染等行业排放的废水中含有大量难以生物降解的偶氮染料，如甲基橙（Methyl Orange, MO）。这类污染物不仅造成水体着色，还会抑制水生植物光合作用，甚至通过食物链威胁人类健康。传统处理方法效率低下，而半导体光催化技术因其绿色、高效的特点成为研究热点。二氧化钛（TiO₂）作为经典光催化剂，虽具有稳定性好、成本低等优势，但其宽带隙（约3.2 eV）导致仅能响应紫外光，且光生电子-空穴对易复合。如何通过材料改性突破这些瓶颈，成为环境催化领域的关键挑战。

针对上述问题，国内研究人员在《Materials Science and Engineering: B》发表论文，提出了一种创新解决方案：通过无模板化学氧化聚合法，将聚苯胺（Polyaniline, PANI）与TiO₂纳米管（TNs）复合，构建具有p-n异质结的PANI/TiO₂纳米复合材料（简称PANITO）。研究团队采用水热法制备TiO₂纳米管，再通过原位氧化聚合将不同比例（12%、22%、44%）的TNs嵌入PANI基质。借助X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、紫外-可见光谱（UV-vis）等技术系统表征材料特性，并在8 W紫外光下评估MO降解性能。

关键实验技术

1. 水热合成法：制备TiO₂纳米管（TNs），反应条件为150°C、24小时
2. 化学氧化聚合：以过硫酸铵（APS）为氧化剂，实现PANI与TNs的复合
3. 多尺度表征：结合XRD、FESEM、高分辨透射电镜（HRTEM）、光致发光光谱（PL）等分析材料结构
4. 光催化测试：在低功率紫外光（8 W）下监测MO降解动力学

研究结果

XRD分析
纯PANI在21.27°和19.08°出现宽峰，表明其半结晶特性；而PANITO（12%）的衍射峰强度显著提高，证实TiO₂的掺入增强了材料结晶度。

形貌与结构
FESEM显示TNs成功嵌入PANI基质形成一维纳米管/纳米棒结构。PANITO（12%）具有最高比表面积（通过BET测试证实），为光催化反应提供更多活性位点。

光催化性能
在40分钟紫外光照下，PANITO（12%）对MO的降解率高达98.4%，远超纯PANI和TiO₂。这种增强效应归因于：

• p-n异质结促进电荷分离
• 1.78 eV的窄带隙拓宽光响应范围
• 一维形貌加速电子传输

结论与意义
该研究通过简易无模板法构建的PANITO复合材料，实现了三大突破：

1. 效率突破：12% TiO₂负载量的样品在低功率光照下即可实现近完全降解，较同类研究效率提升显著
2. 机制创新：通过能带结构调控（PANI的HOMO/LUMO与TiO₂的导带/价带对齐）抑制电子-空穴复合
3. 应用价值：为工业废水处理提供了低成本（无需贵金属助催化剂）、高稳定性的解决方案

这项工作不仅为设计高效光催化剂提供了新思路，其"无模板""低温合成"的绿色工艺更契合规模化生产需求，对推动环境治理技术的实际应用具有重要指导意义。