非传统溶胶-凝胶法合成TiO2纳米催化剂强化罗丹明B光降解性能研究

针对难降解有机污染物治理难题，研究人员通过非传统溶胶-凝胶法制备不同煅烧温度（400-800°C）的TiO2纳米催化剂，系统表征其结构特性并评估对罗丹明B（RhB）的光降解效能。结果表明TiO2-400在UV照射下降解率达96.11%，优于商用P-25（92.07%），为水处理中高效纳米光催化剂设计提供新思路。

　　

随着工业废水排放增加，合成染料等难降解有机污染物（ROPs）对水环境构成严峻威胁。其中罗丹明B（RhB）作为典型氧杂蒽染料，不仅具有强着色能力，更被证实具有潜在致癌性。传统物理吸附、生物处理等技术难以有效去除这类物质，而半导体光催化技术因其强氧化能力成为研究热点。在众多光催化剂中，二氧化钛（TiO₂）因其无毒、稳定、成本低等优势备受关注，但其宽禁带宽度（~3.2 eV）导致仅能利用占太阳光5%的紫外波段，且高温煅烧易引发晶相转变和比表面积下降，制约实际应用效能。

为突破这些限制，阿尔及利亚斯基克达1955年8月20日大学的Khadidja KAHOUL团队创新性地采用非传统溶胶-凝胶法合成TiO₂纳米催化剂，通过调控煅烧温度（400°C、600°C、800°C）系统研究材料性质与光催化性能的构效关系，相关成果发表在《Desalination and Water Treatment》。研究通过X射线衍射（XRD）、热重-差示扫描量热（TG/DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）、扫描电镜-能谱（SEM/EDX）等技术表征材料特性，结合Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积测试、零电荷点（pH_pzc）测定和紫外-可见光谱分析，建立材料结构-性能关联；采用定制光反应器评估RhB降解效率，并通过伪一级/二级动力学模型和Langmuir-Hinshelwood方程解析反应机制。

材料表征揭示温度效应

XRD分析显示随着煅烧温度升高，TiO₂从混晶（400°C时67.89%锐钛矿+32.10%金红石）向纯金红石相（800°C）转变，晶粒尺寸从15.75 nm增至37.27 nm。SEM观察到400°C样品呈现纳米级分散，而高温样品因烧结效应形成微米级团聚体。BET比表面积从400°C的62.83 m²/g骤降至800°C的2.00 m²/g，禁带宽度则因相变从3.19 eV降至2.86 eV。

光催化性能优势显著

在0.1 g/L催化剂负载和10 ppm RhB初始浓度下，TiO₂-400展现最佳降解效率（96.11%），优于商用P-25（92.07%）。酸性条件（pH=1）下效率达99.05%，而254 nm紫外光源（5400 μW/cm²）的降解效果是365 nm光源（1280 μW/cm²）的2.6倍。动力学分析表明反应符合伪一级模型（R²>0.99），Langmuir-Hinshelwood模型揭示TiO₂-400具有最高表观速率常数（k_a=1.5696 mg·L^-1·min^-1）。

工程应用价值突出

该研究通过精准调控溶胶-凝胶工艺参数，证实400°C煅烧可平衡TiO₂的锐钛矿/金红石比例、比表面积和能带结构，其光催化效率超越商业标杆P-25。特别值得注意的是，TiO₂-400在1-7 ppm宽浓度范围内保持稳定降解率，这对实际废水处理的浓度波动适应性具有重要实践意义。研究为开发低成本、高效能纳米光催化剂提供新策略，对推动可持续水处理技术发展具有示范价值。