Pt–Al?O?纳米复合材料的合成及其用于环境与表面防护应用的功能表征

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Synthesis and functional characterization of Pt–Al 2O 3 nanocomposites for environmental and surface protection applications

　　摘要本研究描述了一种新型Pt–Al₂O₃纳米复合材料的合成及其在自清洁、防腐蚀和去除含MB染料工业废水中的应用。该纳米复合材料通过将Pt-Al₂O₃粉末分散在丙酮中，然后与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）结合形成聚合物包覆层而制成。所用表征技术包括：UV-Vis、FTIR、XRD、SEM、EDS、TEM、PL和TGA。聚合物涂层被涂覆于玻璃载玻片和铁板上，其防腐蚀性能通过电化学阻抗谱进行评估。腐蚀电流密度的降低和腐蚀电位的升高表明涂层具有显著的防腐蚀性能提升。经过腐蚀测试后，涂层在静态水接触角为157°的情况下仍保持了超疏水特性。当考察亚甲基蓝（MB）染料在紫外可见光下的光降解时，该纳米复合材料的催化活性在40分钟内实现了98%的脱色率，速率常数为1.927 × 10^?2 min^?1。Pt–Al₂O₃异质结构在电荷分离和光降解效率方面优于纯Al₂O₃。Pt–Al₂O₃纳米复合材料的电化学性能在三电极体系中进行了测试，在石墨片上沉积1 mg活性物质，Pt–Al₂O₃在1 A/g下的恒流充放电（GCD）比电容为891.65 F/g。同时，异质结构的能量密度为45 Wh/g，功率密度为411.50 W/kg。本研究揭示了具有PMMA涂层的PtO–Al₂O₃纳米复合材料作为环境治理、防腐蚀和自清洁应用的有效材料所具有的广阔前景。引言工业、农业和商业活动的快速增长导致了大量有毒废物的排放，严重加剧了水污染，对水生生态系统和人类健康构成威胁。在这些污染物中，来自纺织和制药工业的染料和颜料尤为值得关注，因为它们具有持久性、毒性和难以生物降解的特性。因此，高效去除含染料废水对于保护公共健康和维持环境可持续性至关重要。传统的处理方法，包括活性炭吸附、超滤、反渗透、混凝-絮凝、离子交换和合成吸附剂，已被广泛用于废水处理。然而，这些方法往往存在运行成本高、污染物去除不完全、产生二次废物和有毒污泥等缺点。因此，半导体光催化已成为降解废水中有机染料和其他有害污染物的一个有前景且环保的替代方案。光催化技术在降解亚甲基蓝（MB）、甲基橙（MO）、罗丹明B（RhB）和刚果红等染料方面展现了巨大的潜力。在光催化过程中，有机污染物牢固地结合在光催化剂表面，并与光产生的电子（e^?）和空穴（h⁺）发生相互作用。结果是有害化合物被分解为看似无害的物质。光催化现在可以用于光降解各种有机残留物，在去除大气污染物方面具有巨大潜力。当暴露于紫外光或可见光下时，二氧化钛（TiO₂）、三氧化钨（WO₃）和二氧化铂（PtO₂）表现出强烈的催化特性。作为n型半导体，二氧化铂具有无缺陷的优势。有许多不同类型的纳米结构形态可供使用，且无毒害。此外，它具有出色的氧化还原能力，能够利用光解过程中产生的电子和空穴有效去除有机物质。由于光催化效率有限，过去十年间研究人员关注了更精制的氧化物，如具有海绵状氧化铝的尖晶石复合材料。这些现象可以用这些化合物作为光催化剂的能力、晶体点阵中原子的特定排列以及不同含氧化合物相互作用产生的可变几何结构来解释。这些材料的带隙较小。基于铂的复合材料，如M-PtO（其中M代表Ca、Zn、Co、Mg、Cu等），应能在气体传感器、光催化剂、阴极材料、超级电容器和电池负极等广泛应用中找到用途。在过渡金属氧化物中，氧化铝（Al₂O₃）因其强烈的紫外吸收和在可见光照射下产生氧空位的能力而被广泛认可。这些氧空位改变了晶体结构并改善了电荷分离，从而提高了复合材料的光催化性能。Sodeifian等人报道了CuO/Al₂O₃纳米复合材料在可见光驱动下对亚甲基蓝（MB）染料的光催化降解，然而第二次循环后降解效率降至50%以下，表明其可重复使用性有限。各种合成方法，包括水热法、微乳液法、共沉淀法和燃烧法，已被探索用于制备双金属氧化物光催化剂。然而，许多这些方法涉及复杂的程序和苛刻的反应条件，限制了其成本效益和可扩展性。基于铂的Al₂O₃纳米复合材料表现出优异的光催化活性，但PtAl₂O₄的光催化潜力却相对较少受到关注。此外，在室温下无模板、无表面活性剂地合成Pt/PtO–Al/Al₂O₃复合材料仍具有挑战性。在现有的方法中，共沉淀法和水热法尤为引人注目，因为它们成本效益高、在相对温和的条件下运行，并且能够很好地控制粒径。本研究的主要目的是使用简便的合成方法合成一种新型Pt-Al₂O₃纳米复合材料，并评估其在废水处理、防腐蚀和自清洁应用中的潜力。这项研究满足了人们对能够缓解环境挑战（包括水污染和腐蚀）的高级材料的日益增长的需求。传统的废水处理和防腐蚀方法往往存在效率有限和环境问题的缺陷。相比之下，Pt-Al₂O₃纳米复合材料结合了优异的光催化性能和增强的耐腐蚀性，提供了一种可持续且有效的替代方案。该纳米复合材料通过浸渍、共沉淀和水热技术合成，随后在550°C下煅烧获得Pt–Al₂O₃，在575°C下煅烧形成Pt/PtO@Al/Al₂O₃混合氧化物纳米复合材料。其结构、形貌和光学性能得到了全面表征。光催化性能通过降解亚甲基蓝（MB）染料进行了评估，展示了高降解效率、优异稳定性和长期可重复使用性。部分摘要化学材料用于合成铂-氧化铝纳米材料的化学品包括：氯化铂钾（K₂PtCl₄，99.9%）、丙酮（C₃H₆O，99.70%）、过一硫酸氢钾、氢氧化铵（NH₄OH）和乙醇（C₂H₅OH，98.99%），均购自中国北京精细化学品有限公司。亚甲基蓝（MB）、盐酸（HCl，35.99–36.9%）和铁金属基底（片材）购自中国冠泰金属材料有限公司。铝罐来自……表征采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）（Nicolet仪器公司Avatar 360光谱仪，美国）确定表面官能团，波数范围为4000至400 cm^?1。结构分析使用配备Cu-Kα辐射源（λ = 0.145 nm）的岛津7000型X射线衍射仪（XRD）进行，2θ扫描范围为2°至100°，扫描速率为每分钟5°。形貌特征和元素……FTIR分析通过FTIR分析确认了铂-氧化铝纳米复合材料的官能团特征和振动性质。图2显示了氧化铝在煅烧掺杂前后的FTIR光谱。谱图2(A)中1635 cm^?1处的显著峰表明Al₂O₃表面存在吸附的水分子。3374 cm^?1处的显著峰归因于羟基的O–H伸缩振动。谱图2(B)说明了……催化剂的光腐蚀光腐蚀在半导体材料应用于光催化中是一个重大挑战。光催化剂本质上是半导体，在催化事件后经常发生光腐蚀。这意味着半导体材料发生降解，从而 adversely 影响光催化剂的稳定性和效率。因此，按照基本要求进行光腐蚀的缓解至关重要。光腐蚀是……结论总之，由铂和铝金属氧化物组成的Pt–Al₂O₃纳米颗粒被有效合成并表现出卓越的光催化能力。通过结构和振动特性分析，推断了铂-氧化铝（Pt-Al₂O₃）的四方相。将Pt–Al₂O₄从400°C加热至600°C后，它从无结构状态转变为PtO–Al₂O₃复合体。合成的样品表现出广泛……作者贡献声明**Jureeporn Yuennan：**概念设计。**Noor Hassan：**撰写—初稿、监督指导。**Sajid Mahmood：**数据管理。**Ghulam Abbas Ashraf：**方法论。**Ahlem Guesmi：**软件。**Uchkun Kutliev：**可视化。**Najah Ayad Alshammari：**可视化。**Phonpichit Channuie：**撰写—审阅与编辑。利益冲突声明作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。致谢作者衷心感谢沙特阿拉伯北部边疆大学阿拉尔分校科学研究院通过项目编号NBU-FFR-2026-1306-02对本研究工作提供的资金支持。作者信息Jureeporn Yuennan | Noor Hassan | Sajid Mahmood | Ghulam Abbas Ashraf | Ahlem Guesmi | Uchkun Kutliev | Najah Ayad Alshammari | Phonpichit Channuie表面技术研究单元（STRU），泰国那空叻差是玛拉贾巴大学科学与技术学院，那空叻差是玛，80280，泰国