钴掺杂TiO2/MnWO4纳米复合材料的绿色合成及其在光催化、电解水与超级电容器中的多功能应用

本研究针对有机污染物（如刚果红染料）的环境治理难题，通过水热法合成Co3+掺杂TiO2/MnWO4纳米复合材料，实现了97%的染料降解率（60分钟），并展现出优异的电化学性能（388.2 F/g比电容）和析氢/析氧活性（过电位0.1703 V/1.1064 V）。该工作为环境修复与可持续能源转换提供了新型多功能材料解决方案。

　　

纺织、塑料等行业排放的有机染料（如刚果红）已成为水体污染的"顽固分子"，这些含偶氮结构（-N=N-）的化合物不仅阻碍水生光合作用，还具有致癌风险。尽管吸附、生物降解等方法被广泛应用，但传统技术往往治标不治本——污染物只是从液相转移到固相。更棘手的是，常用光催化剂TiO₂虽成本低廉，却存在可见光响应差、电子-空穴复合快等瓶颈。如何开发能"一箭三雕"的材料，既能高效降解污染物，又能储能产氢，成为环境与能源领域的重大挑战。

来自提亚加拉贾工程学院的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表突破性成果，他们采用水热法构建了Co³⁺掺杂的TiO₂纳米棒/MnWO₄纳米片异质结。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等表征技术确认材料结构，并系统评估其光催化降解、电容性能和电解水活性。研究发现，这种"三明治"结构的纳米复合材料不仅能在1小时内降解97%刚果红染料，还展现出388.2 F/g的比电容，以及10 mA/cm²电流密度下仅需0.1703 V过电位即可析氢的优异性能。

关键实验方法
研究采用水热法合成TiO₂纳米颗粒（180℃反应8小时），并通过磁力搅拌调控pH值；利用XRD（40 kV/45 mA）分析晶体结构，SEM-EDAX（10 kV）观察形貌与元素分布；通过电化学工作站测试比电容（三电极体系）和析氢/析氧过电位（线性扫描伏安法）；光催化实验采用300 W氙灯模拟太阳光，高效液相色谱监测染料降解率。

研究结果

1. X射线衍射分析
   XRD图谱显示TiO₂在25°（101晶面）等位置出现特征峰，与标准卡片（JCPDS 72-0100）完全匹配，MnWO₄的衍射峰表明二者成功复合，Co³⁺掺杂未引起相变。

2. 形貌与元素分布
   SEM显示TiO₂呈规则纳米棒状，MnWO₄为片层结构，EDAX证实Co元素均匀分布。TEM进一步揭示异质界面处的紧密接触，这有利于电荷转移。

3. 光催化性能
   对比纯TiO₂和MnWO₄，复合材料在60分钟内将刚果红浓度从0.98%降至0.001%，降解动力学常数提升3.2倍。机理研究表明，Co³⁺作为电子陷阱抑制了e^-/h⁺复合，而异质结扩展了可见光吸收范围。

4. 电化学性能
   虽然纯MnWO₄比电容更高（458.44 F/g），但复合材料（388.2 F/g）展现出更稳定的循环性能。电解水测试中，其析氢过电位（0.1703 V）远低于商业Pt/C催化剂。

结论与意义
这项研究通过精准的"材料基因编辑"——将Co³⁺掺入TiO₂/MnWO₄异质结，创造出兼具环境修复与能源转化功能的"纳米多面手"。其成功关键在于：① TiO₂纳米棒与MnWO₄纳米片形成的分级结构提供超大比表面积；② Co³⁺（离子半径0.65 ?）取代Ti⁴⁺（0.68 ?）后产生晶格畸变，形成缺陷能级；③ 三者协同作用实现光生载流子的空间分离。该工作不仅为染料废水处理提供了新方案，其"一材多用"的设计思路更为开发下一代环境-能源联用材料指明方向。正如通讯作者P. Velusamy强调的，这种复合材料有望在工业废水处理厂与光伏-电解水系统中实现规模化应用。