优化降解参数以提高利用SnO2纳米颗粒去除纺织工业污染物的效果：一种兼具抗菌和抗氧化功能的绿色方法

《Journal of the Indian Chemical Society》：Optimizing degradation parameters for enhanced textile industrial pollutant removal with SnO 2 nanoparticles: A green approach with antimicrobial and antioxidant efficacy

TiO?纳米颗粒通过溶胶-凝胶法掺杂Zr和P，形成TPZr6（3.06 nm结晶粒度，2.01 eV带隙），显著提升可见光下甲基橙降解效率至93%（48分钟），归因于带隙优化、电子-空穴复合减少及高比表面积。

　　在当今社会，环境污染已成为全球关注的焦点之一，其中水污染尤为突出。随着工业和城市化进程的加快，大量有机和合成染料被排放到水体中，给生态环境和人类健康带来了严重威胁。这些染料不仅难以通过传统的生物降解方法去除，还可能具有毒性、致癌性，甚至对水生生物和人类造成健康危害。因此，开发高效、环保的水污染治理技术显得尤为重要。近年来，光催化技术因其独特的优势，成为解决有机污染物降解问题的重要手段之一。光催化剂能够在光照条件下分解污染物，不仅操作简便，而且成本较低，具有广泛的应用前景。

钛氧化物（TiO?）是光催化领域中最常用的材料之一，其宽禁带（约3.2 eV）使其在紫外光照射下表现出优异的光催化性能。然而，传统的TiO?在可见光区域的响应较弱，限制了其在实际应用中的效果。为了解决这一问题，研究者尝试通过掺杂改性TiO?，以拓宽其光响应范围，提高可见光下的催化效率。金属和非金属元素的掺杂不仅可以引入中间能级，从而降低材料的禁带宽度，还能有效抑制电子-空穴对的复合，延长载流子寿命，进而提升光催化性能。

在本研究中，采用溶胶-凝胶法合成了一种锆（Zr）和磷（P）共掺杂的TiO?纳米颗粒（标记为TPZr6）。该材料的掺杂比例为0.25 wt% Zr和1 wt% P，经过表征发现其晶粒尺寸最小，仅为3.06纳米。X射线衍射（XRD）分析显示，所有样品均保持了金红石相，这表明共掺杂并未改变其基本晶体结构，反而增强了结构稳定性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测结果显示，未发现新的化学键，进一步验证了材料的结构稳定性和化学特性。这些结果表明，Zr和P的共掺杂并未引入额外的化学反应，而是通过物理方式优化了TiO?的性能。

紫外-可见光谱（UV-Vis）分析显示，TPZr6的禁带宽度显著低于未掺杂的TiO?，仅为2.01 eV，而未掺杂的TiO?的禁带宽度为3.2 eV。这一变化使得TPZr6能够更有效地吸收可见光，从而在可见光条件下实现更高的光催化效率。实验测试表明，TPZr6在48分钟内能够实现对甲基橙染料的93%降解，远超未掺杂和其它掺杂样品（如TPZr1至TPZr5）。这一优异性能主要归因于其优化的禁带宽度、减少的电子-空穴复合以及较大的比表面积。此外，通过回收测试验证了TPZr6在五次循环使用后仍能保持较高的催化效率，这表明其具有良好的稳定性和重复使用性。

为了进一步探究TPZr6的性能优势，研究者从多个角度对其结构和功能进行了深入分析。首先，XRD结果表明，所有样品均保持了金红石相，这说明Zr和P的共掺杂并未破坏TiO?的晶体结构，反而有助于维持其稳定性。其次，FTIR分析显示，未发现新的化学键，表明材料的结构在掺杂过程中保持了完整性。这一稳定性对于光催化反应至关重要，因为材料的结构变化可能会影响其光响应能力和催化效率。

UV-Vis光谱的结果进一步揭示了TPZr6在可见光吸收方面的优势。相比于未掺杂的TiO?，TPZr6的吸收边出现了明显的红移，这意味着其能够吸收更长波长的可见光，从而扩大了光催化反应的适用范围。这一特性对于实际应用具有重要意义，因为可见光在自然界中更为常见，且相比紫外光，其对人体和环境的伤害较小。因此，开发能够有效利用可见光的光催化剂，不仅能够提高降解效率，还能降低对环境的潜在危害。

在光催化反应过程中，电子-空穴对的分离和复合是影响催化效率的关键因素。研究发现，Zr和P的共掺杂能够有效抑制电子-空穴对的复合，从而延长载流子的寿命。这种效应在TPZr6中尤为显著，其电子-空穴复合速率明显低于未掺杂样品。此外，较大的比表面积也为污染物的吸附提供了更多的活性位点，进一步提升了光催化效率。这些特性使得TPZr6在可见光条件下的光催化性能显著优于其他掺杂样品。

除了光催化性能的优化，TPZr6在实际应用中的稳定性同样值得关注。回收测试结果表明，TPZr6在五次循环使用后仍能保持较高的催化效率，这表明其在实际环境中具有良好的耐久性和重复使用性。这一特性对于工业废水处理尤为重要，因为废水处理往往需要长时间运行，且对催化剂的稳定性有较高要求。TPZr6的稳定性能不仅提高了其在实际应用中的可靠性，还降低了更换和维护成本，为大规模应用提供了可能性。

从材料科学的角度来看，Zr和P的共掺杂是一种有效的改性策略。Zr的掺杂有助于稳定金红石相，而P的掺杂则能够引入中间能级，降低禁带宽度。这两种元素的协同作用使得TiO?在可见光条件下的催化性能得到了显著提升。此外，Zr和P的掺杂比例对材料的性能也有重要影响，实验结果表明，TPZr6的掺杂比例（0.25 wt% Zr和1 wt% P）是最优的，能够实现最佳的催化效果。

在光催化反应过程中，电子-空穴对的分离和复合是影响反应效率的关键因素。研究发现，Zr和P的共掺杂能够有效抑制电子-空穴对的复合，从而延长载流子的寿命。这种效应在TPZr6中尤为显著，其电子-空穴复合速率明显低于未掺杂样品。此外，较大的比表面积也为污染物的吸附提供了更多的活性位点，进一步提升了光催化效率。这些特性使得TPZr6在可见光条件下的光催化性能显著优于其他掺杂样品。

除了光催化性能的优化，TPZr6在实际应用中的稳定性同样值得关注。回收测试结果表明，TPZr6在五次循环使用后仍能保持较高的催化效率，这表明其在实际环境中具有良好的耐久性和重复使用性。这一特性对于工业废水处理尤为重要，因为废水处理往往需要长时间运行，且对催化剂的稳定性有较高要求。TPZr6的稳定性能不仅提高了其在实际应用中的可靠性，还降低了更换和维护成本，为大规模应用提供了可能性。

从材料科学的角度来看，Zr和P的共掺杂是一种有效的改性策略。Zr的掺杂有助于稳定金红石相，而P的掺杂则能够引入中间能级，降低禁带宽度。这两种元素的协同作用使得TiO?在可见光条件下的催化性能得到了显著提升。此外，Zr和P的掺杂比例对材料的性能也有重要影响，实验结果表明，TPZr6的掺杂比例（0.25 wt% Zr和1 wt% P）是最优的，能够实现最佳的催化效果。

在光催化反应过程中，电子-空穴对的分离和复合是影响反应效率的关键因素。研究发现，Zr和P的共掺杂能够有效抑制电子-空穴对的复合，从而延长载流子的寿命。这种效应在TPZr6中尤为显著，其电子-空穴复合速率明显低于未掺杂样品。此外，较大的比表面积也为污染物的吸附提供了更多的活性位点，进一步提升了光催化效率。这些特性使得TPZr6在可见光条件下的光催化性能显著优于其他掺杂样品。

从材料科学的角度来看，Zr和P的共掺杂是一种有效的改性策略。Zr的掺杂有助于稳定金红石相，而P的掺杂则能够引入中间能级，降低禁带宽度。这两种元素的协同作用使得TiO?在可见光条件下的催化性能得到了显著提升。此外，Zr和P的掺杂比例对材料的性能也有重要影响，实验结果表明，TPZr6的掺杂比例（0.25 wt% Zr和1 wt% P）是最优的，能够实现最佳的催化效果。

在光催化反应过程中，电子-空穴对的分离和复合是影响反应效率的关键因素。研究发现，Zr和P的共掺杂能够有效抑制电子-空穴对的复合，从而延长载流子的寿命。这种效应在TPZr6中尤为显著，其电子-空穴复合速率明显低于未掺杂样品。此外，较大的比表面积也为污染物的吸附提供了更多的活性位点，进一步提升了光催化效率。这些特性使得TPZr6在可见光条件下的光催化性能显著优于其他掺杂样品。

在实际应用中，TPZr6不仅表现出优异的光催化性能，还具有良好的稳定性。回收测试结果表明，TPZr6在五次循环使用后仍能保持较高的催化效率，这表明其在实际环境中具有良好的耐久性和重复使用性。这一特性对于工业废水处理尤为重要，因为废水处理往往需要长时间运行，且对催化剂的稳定性有较高要求。TPZr6的稳定性能不仅提高了其在实际应用中的可靠性，还降低了更换和维护成本，为大规模应用提供了可能性。

综上所述，Zr/P共掺杂TiO?纳米颗粒，特别是TPZr6，在可见光条件下的光催化性能显著优于未掺杂和其它掺杂样品。其优化的禁带宽度、减少的电子-空穴复合、较大的比表面积以及良好的稳定性，使其成为一种非常有效的光催化剂，适用于废水处理中的有机染料降解。未来的研究可以进一步优化Zr和P的掺杂比例，探索更多改性策略，以提高光催化剂的性能和应用范围。同时，结合其他技术，如吸附、氧化还原等，可以形成更全面的水污染治理方案，为环境保护和可持续发展提供支持。