电纺丝结合原子层沉积技术构建TiO2/SnO2核壳纳米纤维光催化剂高效降解药物污染物

为解决水体中难降解药物污染物问题，研究人员通过电纺丝和原子层沉积(ALD)技术构建了TiO2/SnO2核壳纳米纤维光催化剂。该材料在紫外光下40分钟内实现99.8%的扑热息痛(ACT)降解率，并通过DFT计算揭示了SnO2涂层促进电荷分离的机制，为环境修复提供了新型高效解决方案。

　　

随着全球清洁水资源短缺问题日益严峻，药物污染物在水体中的持续累积成为重大环境挑战。传统水处理方法难以有效去除微量的扑热息痛(ACT)等药物残留，这些物质即使在纳克/升级别浓度仍可能对生态系统和人类健康造成长期危害。半导体光催化技术因其高效、环保的特性被视为潜在解决方案，但常用光催化剂TiO₂存在带隙宽(3.2 eV)和光生电子-空穴(e^-/h⁺)复合快等固有缺陷。

为突破这一技术瓶颈，由多国研究人员组成的团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表研究，创新性地将电纺丝技术与原子层沉积(ALD)相结合，制备出具有精确厚度控制的TiO₂/SnO₂核壳结构纳米纤维光催化剂。通过系统优化SnO₂壳层厚度（2 nm、5 nm和10 nm），发现5 nm厚度的TS5复合材料展现出最佳性能——在紫外光照射下40分钟内实现99.8%的ACT降解效率，较纯TiO₂纳米纤维（70%）有显著提升，且经过5次循环后仍保持稳定活性。

研究团队采用电纺丝法制备TiO₂纳米纤维基底，通过ALD技术精确沉积SnO₂薄层；利用SEM、TEM、XRD和XPS等技术表征材料结构；通过紫外-可见光谱和光致发光光谱分析光学性质；采用液相色谱-质谱联用(LC-MS)监测降解过程；结合电化学测试和DFT计算阐明作用机制。

结构表征显示：TiO₂纳米纤维呈直径300-500 nm的管状结构，ALD处理的SnO₂涂层均匀覆盖纤维表面（TEM元素映射证实）。XRD和拉曼光谱证实TiO₂保持锐钛矿相，SnO₂以非晶态存在。BET测试表明TS5比表面积(22 m²/g)较纯TiO₂(34 m²/g)有所降低，但优化的5 nm厚度在比表面积与电子传输间取得平衡。

光学性能研究发现：TS5复合材料完全淬灭了光致发光信号，证实SnO₂涂层有效抑制了电荷复合。反射光谱测得TS5带隙为3.16 eV，介于TiO₂(2.9 eV)与SnO₂(3.87 eV)之间，形成有利于电荷转移的II型异质结。

光催化降解实验表明：TS5的表观速率常数(k_app=0.11428 min^-1)是纯TiO₂的2.3倍。猝灭实验证实羟基自由基(•OH)、超氧阴离子(•O₂^-)和空穴(h⁺)是主要活性物种，其贡献度分别为75%、95%和93%。莫特-肖特基测试显示TiO₂的平带电位(-0.82 V)比SnO₂(-0.35 V)更负，促使光生电子向SnO₂迁移。

DFT计算从原子尺度揭示了作用机制：SnO₂的导带底比TiO₂低0.47 eV，形成电子捕获阱，而价带顶高0.33 eV，构成阶梯式能带结构。这种独特的能带排列使光生电子从TiO₂向SnO₂定向迁移，空穴则反向移动，大幅延长了载流子寿命。

该研究通过精准的纳米结构设计和界面工程，成功解决了TiO₂光催化剂效率低的关键问题。ALD技术实现的SnO₂厚度精确控制（5 nm最优）为同类研究提供了重要参考，而核壳纤维结构既保留了TiO₂的高比表面特性，又通过异质结效应增强了电荷分离。这项工作不仅为药物污染物治理提供了高效解决方案，其揭示的"厚度-性能"关系对开发其他复合光催化剂具有普适指导意义，推动环境催化材料向原子级精度设计迈进。