基于污泥陶瓷废料/TiO2纳米复合材料的高效光催化降解罗丹明B及其环境应用价值

针对传统TiO2光催化剂成本高、可见光利用率低的问题，研究人员创新性地利用工业污泥陶瓷废料(SCW)作为TiO2的共催化剂，开发出TiO2/20wt%SCW复合材料。该材料在UV照射下对RhB的降解率达98.6%，成本降低20%，并通过XRD、XPS、BET等技术揭示了其晶格应变、Ti4+/3+物种形成和带隙窄化(2.96 eV)等机制，为工业废料资源化和废水处理提供了双赢策略。

　　

随着纺织、化妆品等行业排放的合成染料对水体的污染日益严重，罗丹明B(RhB)等化学性质稳定的染料成为环境治理难题。传统TiO₂光催化剂虽具有无毒、稳定等优势，但其3.2 eV的宽带隙仅能利用5%的太阳光谱，且高昂成本制约了规模化应用。与此同时，陶瓷工业每年产生大量富含SiO₂、Al₂O₃等氧化物的污泥废料(SCW)，常规填埋处理带来二次污染。如何通过废物资源化实现环境治理的"一石二鸟"，成为研究者关注的重点。

英国埃及大学（British University in Egypt）的研究团队创新性地将SCW与TiO₂复合，通过溶胶-凝胶法制备了系列TiO₂/SCW纳米复合材料。研究发现，20wt%SCW的复合材料在保持98.6% RhB降解率（纯TiO₂为99.55%）的同时，显著降低材料成本。该成果发表于《Results in Chemistry》，揭示了废物衍生材料在功能催化剂设计中的巨大潜力。

研究采用溶胶-凝胶法合成复合材料，通过XRD分析晶体结构，XPS表征表面化学状态，HR-TEM观察形貌，BET测定比表面积，UV-Vis DRS计算带隙，并结合EDX和XRF进行元素分析。光降解实验采用15W UVA灯照射RhB溶液，通过紫外分光光度计定量降解效率。

结构化学分析
XRD显示复合材料保留了锐钛矿相TiO₂，但出现晶格应变和峰位偏移，表明SCW引起结构畸变。XPS证实表面存在Ti⁴⁺/³⁺和Ca²⁺物种，电子从Ca向Ti转移导致Ti 2p结合能降低，这种电子调控有利于电荷分离。

形貌与孔隙特征
HR-TEM显示10.9 nm的纳米颗粒均匀分散，SAED图谱证实多晶性质。BET分析显示复合材料具有133.27 m²/g的高比表面积和18.321 nm的平均孔径，其IV型吸附等温线和H1型滞后环表明存在规整的介孔结构。

光电性能优化
DRS测试显示带隙从3.2 eV降至2.96 eV，归因于SCW中Si(1.12 eV)等元素的引入。PL光谱证实载流子复合率降低，与XPS发现的Ti³⁺缺陷态促进电子捕获的结论一致。

光催化机制
通过自由基捕获实验确定超氧自由基(•O₂^-)是主要活性物种。SCW中的Ca²⁺不仅作为电子阱抑制复合，还与TiO₂形成异质结促进界面电荷转移。材料在5次循环后仍保持稳定活性，验证了实际应用可行性。

该研究实现了工业废料的高值化利用与环境治理的双重目标。SCW的引入不仅降低催化剂成本，更通过晶格应变、表面掺杂和带隙调控等多重效应提升光催化性能。这种"以废治污"的策略为设计低成本、高性能的环境功能材料提供了新思路，对推动循环经济发展具有重要意义。研究揭示的SCW-TiO₂协同作用机制，也为其他废物衍生催化剂的开发提供了理论参考。