Fe,N共掺杂TiO2/PLA纳米纤维光催化材料：太阳光驱动降解有机污染物与大肠杆菌灭活研究

本研究针对水中有机污染物和病原体去除的难题，开发了一种可持续、高效的双功能光催化材料。研究人员通过溶液吹纺技术将Fe,N共掺杂TiO2光催化剂固载于聚乳酸（PLA）纳米纤维中，成功制备出具有优异可见光响应的复合材料。实验表明PLA/Fe-N-TiO2体系在模拟太阳光下对亚甲基蓝（MB）的降解效率达67%，对大肠杆菌（E. coli）的灭活率超过90%，且具有良好重复使用性能。该研究为开发环境友好型水处理材料提供了新策略。

　　

随着工业化和城市化进程加速，水环境污染已成为全球性挑战。有机污染物和病原微生物在水体中的累积不仅破坏生态系统平衡，更直接威胁人类健康。传统水处理方法如氯化消毒虽有效，但可能产生有毒副产物；高级氧化工艺虽能深度降解污染物，但往往依赖紫外光源或产生二次污染。因此，开发绿色、可持续的水处理技术迫在眉睫。

光催化技术利用半导体材料在光照下产生强氧化性活性物种，能同时实现有机物降解和微生物灭活，被视为最有前景的水处理技术之一。二氧化钛（TiO₂）因其高催化活性、化学稳定性和低毒性成为研究最广泛的光催化剂，但其宽带隙（~3.2 eV）导致仅能响应紫外光，且光生电子-空穴对易复合制约了实际应用。通过金属与非金属共掺杂可协同调控TiO₂的能带结构——金属掺杂（如Fe）促进电荷分离，非金属掺杂（如N）拓展可见光吸收，但如何将纳米级催化剂固定化以避免回收难题并保持高活性仍是关键挑战。

针对这些问题，意大利萨莱诺大学工业工程系的研究团队在《Applied Soil Ecology》发表创新性研究成果。他们采用环境友好的聚乳酸（PLA）作为载体，通过溶液吹纺（Solution Blow Spinning, SBS）技术将Fe,N共掺杂TiO₂光催化剂固载于亚微米级纤维中，构建了兼具催化活性和可回收性的复合材料体系。

研究采用溶胶-凝胶法制备Fe-N-TiO₂、Fe-TiO₂和N-TiO₂催化剂，通过溶液吹纺技术将催化剂与PLA复合制备纳米纤维膜。使用扫描电镜（SEM）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）等表征材料形貌和结构，通过模拟太阳光照射评估其对亚甲基蓝（MB）、结晶紫（CV）、酚（Ph-OH）的降解性能及对大肠杆菌（E. coli）的灭活效果，并分析总有机碳（TOC）去除率以评价矿化程度。

3.1. Characterization results

SEM分析显示所有样品主要由直径数十纳米至2微米的纤维构成。添加催化剂后纤维平均直径减小且分布更均匀，表明催化剂引入改善了形态均一性。PLA/Fe-N-TiO₂样品孔隙率为81.3%，与其他样品相当。背散射电子图像中亮斑经EDS证实为Ti元素富集区域，表明催化剂颗粒在纤维中均匀分散。拉曼光谱证实TiO₂保持锐钛矿相稳定存在，PLA特征峰未发生位移，说明催化剂与聚合物间为物理相互作用。

3.2. Photocatalytic degradation performances of PLA/photocatalyst composites against methylene blue dye

在模拟太阳光下，PLA/Fe-N-TiO₂表现出最优降解性能：180分钟时MB脱色率44%（TOC去除率15%），显著高于单掺杂体系。表观动力学常数k_app达3.2×10^-3 min^-1，为PLA/N-TiO₂的3倍。性能提升归因于Fe和N共掺杂协同效应：N在价带附近引入能级，Fe在导带下方形成杂质能级，共同缩小带隙至2.70 eV；Fe作为电子捕获中心抑制电荷复合。

3.2.2. Influence of PLA/Fe-N-TiO₂ dosage on photocatalytic activity

催化剂投加量显著影响性能：当剂量从0.8 g·L^-1增至2.3 g·L^-1时，MB降解率从25%提升至67%，TOC去除率从8%增至34%。但进一步增至3 g·L^-1时性能下降，源于纤维网络过密导致光屏蔽效应。

3.2.3. Stability tests for PLA/Fe-N-TiO₂ textile

经过5次循环使用，PLA/Fe-N-TiO₂仍保持稳定活性：MB降解效率始终超过55%，拉曼光谱和SEM显示纤维形貌与晶体结构未发生明显变化，证实材料具有优异耐久性。

3.2.4. PLA/Fe-N-TiO₂ as a photocatalytic system for the degradation of different pollutants

该材料对多种污染物展现广谱降解能力：对结晶紫（CV）降解率72%（k_app=7.2×10^-3 min^-1），对酚（Ph-OH）降解率27%（k_app=1.5×10^-3 min^-1）。酚类降解率较低与其芳香环结构稳定性有关。TOC去除率分别为57%（CV）、34%（MB）和18%（Ph-OH），证实污染物被有效矿化。

3.2.5. Photocatalytic test on a tap water sample spiked with methylene blue

在自来水基质中，PLA/Fe-N-TiO₂对MB的降解与蒸馏水中相当，表明常见无机离子未显著抑制催化活性。这可能源于PLA疏水性限制了极性离子与催化剂表面的接触，从而减少了对活性位点的竞争。

3.2.6. Viability assay on E. coli ATCC? 8739

抗菌实验显示PLA/Fe-N-TiO₂具有优异灭菌性能：接触3小时后对大肠杆菌灭活率达93.13%（p<0.0001），显著优于单掺杂体系。PLA/N-TiO₂和PLA/Fe-TiO₂灭活率分别为70.29%和40.87%。Fe-N共掺杂增强了可见光吸收和活性氧物种生成能力，从而提升抗菌效能。

该研究成功开发出一种基于可生物降解聚合物和改性TiO₂的高效光催化系统。Fe和N共掺杂协同降低了TiO₂带隙，增强了可见光利用率和电荷分离效率；溶液吹纺技术实现了催化剂在PLA纤维中的均匀固载，解决了纳米催化剂回收难题；复合材料对多种有机污染物展现广谱降解能力，并对大肠杆菌具有显著灭活效果，在自来水中仍保持高效性能。材料经过五次循环使用后仍保持稳定活性，证实其可重复使用性。这项研究为开发绿色、可持续的水处理技术提供了新思路，尤其在水中有机物降解和病原微生物控制方面具有重要应用前景。