高活性板钛矿型二氧化钛纳米颗粒降解有毒有机污染物的研究与应用

针对水体有毒有机污染物(TOPs)治理难题，研究人员通过简易化学沉淀法合成高活性板钛矿型TiO2纳米颗粒，系统研究pH值对材料微观结构及光催化性能的影响，证实酸性条件下制备的纳米颗粒具有优异染料降解和抗菌特性，为低成本水处理技术提供新方案。

　　

水体污染治理正面临严峻挑战，工业和生活排放的有毒有机污染物(TOPs)不仅破坏水生生态系统，更通过食物链威胁人类健康。传统处理方法成本高昂且效率有限，而光催化技术因其绿色高效特性成为研究热点。在众多光催化剂中，二氧化钛(TiO₂)因其无毒、稳定和低成本优势备受关注，但常见晶型（锐钛矿/金红石）存在电荷复合率高、光响应范围窄等局限。更罕见且难以合成的板钛矿相(brookite)因其独特的宽禁带(≥3.2 eV)、浅陷阱能级(<0.4 eV)和开放结构，理论上应具有更优异的光催化性能，但纯相制备困难且抗菌机制研究匮乏。

针对这一科学难题，Gujarat Council on Science and Technology和印度政府科技部资助的研究团队在《Powder Technology》发表重要成果。研究人员创新性地采用低成本化学沉淀法，以钛酸四丁酯(Ti(OBu)₄)、乙醇和去离子水为原料，通过精确调控前驱体溶液pH值(2-10)，成功制备出高纯度板钛矿纳米颗粒，并系统探究了材料特性与污染物降解效率的构效关系。研究主要运用X射线衍射(XRD)分析晶相组成，氮气吸附-脱附测试表征比表面积和孔隙结构，紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光学带隙，并结合甲基橙降解实验和抗菌测试评估实际应用性能。

纳米颗粒合成
通过控制酸性(pH 2-4)和中性(pH 7)条件获得结晶良好的板钛矿相（主晶面(120)/(121)/(131)），伴随少量锐钛矿相；而碱性条件(pH 8-10)产物呈非晶态。酸性环境合成的NT-2至NT-4样品呈现典型介孔结构，其中NT-3具有最大比表面积(148 m²/g)和最窄孔径分布(3-8 nm)。

化学特性
XRD证实酸性条件下产物为富钛非化学计量比材料(Ti:O=1:1.27)，傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示表面存在大量羟基(-OH)，这些特性有利于光生载流子分离。UV-Vis显示NT-3具有最宽禁带(3.35 eV)，与其最小粒径(12 nm)和量子限域效应相符。

光催化性能
在模拟太阳光下，NT-3对甲基橙的降解率在90分钟内达98%，显著优于商用P25(70%)。机理研究表明，其优异性能源于：1）高比表面积提供更多活性位点；2）介孔结构促进污染物扩散；3）表面羟基捕获空穴(h⁺)生成高活性羟基自由基(•OH)；4）浅陷阱能级抑制电子-空穴复合。

抗菌特性
NT-3对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别达18 mm和15 mm，电镜观察显示纳米颗粒破坏细菌细胞膜完整性，其抗菌机制涉及：1）光催化产生的活性氧物种(ROS)氧化细胞组分；2）纳米颗粒直接物理损伤细胞膜。

这项研究突破性地建立了pH调控-微观结构-光催化性能的关联规律，证实酸性条件(pH≈3)最有利于制备高性能板钛矿纳米颗粒。所开发的化学沉淀法具有原料廉价、工艺简单、产率高等优势，每批次可制备克级产物。更重要的是，研究首次系统揭示了纯板钛矿纳米颗粒的协同污染物降解-抗菌机制，为开发多功能水处理材料提供新思路。未来通过掺杂改性或异质结构建进一步拓展其可见光响应范围，将推动该材料在实际水环境治理中的应用。