镧系-氮共掺杂钛酸锶增强自由基生成及水体净化效能研究

针对传统水处理方法难以达标的问题，意大利都灵大学团队通过镧系元素(Ln)与氮(N)共掺杂钛酸锶(SrTiO3)，开发出新型光催化剂。研究发现La/N共掺杂样品在苯酚降解中效率最高，通过电子顺磁共振(EPR)证实光生空穴(h+)与超氧自由基(O2-•)协同作用机制，为太阳能驱动水净化提供新策略。

　　

水污染治理一直是全球性难题，传统物理、化学和生物处理方法往往难以彻底清除水体中的有机污染物，尤其是酚类等具有致癌性和持久性的化合物。光催化技术因其高效、可持续和成本效益高等优势成为研究热点，其中钛酸锶(SrTiO₃，STO)因其稳定的钙钛矿结构和优异的光催化性能备受关注。然而，STO的宽禁带宽度(3.2 eV)限制了其对太阳光谱中仅占1-3%的紫外光的利用，这成为实际应用的瓶颈。

针对这一挑战，意大利都灵大学（University of Torino）的L. Sarasino团队创新性地采用镧系元素(Ln)与氮(N)共掺杂策略，系统研究了SrTiO₃的光催化性能提升机制。研究人员通过比较镧系系列单掺杂与共掺杂样品，发现La/N共掺杂样品展现出最高的苯酚降解效率，相关成果发表在《Next Materials》上。

研究团队采用水热合成法制备系列掺杂样品，通过X射线衍射(XRD)确认晶体结构，紫外-可见漫反射光谱(DRS)分析光吸收特性，并结合高分辨扫描电镜(FESEM)观察形貌特征。电子顺磁共振(EPR)技术结合自旋捕获法揭示了反应过程中的活性自由基物种，高效液相色谱(HPLC)定量评估了光催化降解效率。

3.1 晶体结构

XRD分析证实所有样品均保持立方钙钛矿结构，La/N共掺杂样品未出现杂相。通过机械混合对照实验排除了Ln₂O₃混合物存在的可能性，EDX mapping证实了La的成功掺杂。值得注意的是，Yb/N共掺杂样品主要呈现TiO₂相，表明掺杂显著影响晶体稳定性。

3.3 光学行为

DRS显示Ce单掺杂样品在380 nm以上可见光区吸收显著增强，这归因于Ce³⁺的4f¹5d⁰→4f⁰5d¹电子跃迁。N掺杂在400-600 nm范围产生带隙内态，而La/N共掺杂样品表现出超越单掺杂的协同效应，光吸收能力显著提升。

3.4 EPR研究

EPR谱图揭示了N掺杂形成的轴向对称NO^2-自由基物种，其自旋密度计算表明0.68的电子密度定域在N原子上。不同于N掺杂TiO₂，STO中N物种在紫外照射下未发生明显变化，暗示其可能通过非辐射途径参与电荷转移。

3.5 光催化测试

La/N共掺杂样品表现最优，60分钟内几乎完全降解苯酚，远超单掺杂样品。氮掺杂单独可使降解效率提升至2小时完成，而Ln单掺杂需3-6小时仅降解50%。

3.6 自旋捕获实验

通过DMPO和TEMP-H捕获技术证实，h⁺和O₂^-•是苯酚降解的主要活性物种，而单线态氧(¹O₂)的产生会消耗h⁺从而抑制降解效率。添加苯酚后h⁺信号完全抑制的现象，直接证明了其主导作用。

该研究通过精准的掺杂工程调控STO电子结构，阐明了共掺杂协同增强光催化活性的机制。La/N共掺杂不仅扩展了光响应范围，更通过优化电荷分离效率显著提升降解性能。EPR技术首次在STO体系中揭示了N掺杂物种的结构特征，为设计高效太阳能驱动光催化剂提供了理论依据和实践指导。研究结果对解决水体有机污染这一重大环境问题具有重要应用价值，也为钙钛矿材料在环境领域的应用开辟了新途径。