一种简易的合成方法，用于制备S-结构TiO?-x/FeTiO?异质结光催化剂，该催化剂可用于多种功能性有害污染物的降解

《Journal of Alloys and Compounds》：A facile synthesis of S-scheme TiO 2-x/FeTiO 3 heterojunction photocatalyst for multifunctional hazardous pollutants degradations

TiO?-x/FeTiO?异质结纳米材料通过水热法制备并经500℃煅烧，其可见光催化降解染料及抗生素（MG, FS, CR, CFX, TC）效率显著高于单一催化剂，其中TC降解效率达25.4倍。研究表明材料通过S-方案机制有效分离电荷载流子，同时具备良好的循环稳定性和生物相容性。

　　

作者：Arezou Saadati, Aziz Habibi-Yangjeh, Alireza Khataee

伊朗阿尔达比勒莫哈格赫阿达比利大学（University of Mohaghegh Ardabili）理学院化学系，地址：56199?13131，阿尔达比勒

摘要

当前研究的主要目标是设计和制备具有优异光催化效率的新型光催化剂，以去除环境中的各种污染物。在本研究中，通过简单的水热法制备了TiO_2-x/FeTiO₃（T_OVFTO）异质结纳米复合材料，并在500°C下进行煅烧。采用多种技术对制备材料的结构、光学、光电化学、形态和纹理特性进行了分析。结果表明，T_OVFTO-2纳米复合材料在去除孔雀石绿（MG）、品红（FS）、刚果红（CR）、头孢氨苄（CFX）和四环素（TC）等污染物方面表现出更强的光催化活性，其活性分别比TiO_2-x（T_OV）高6.17、8.37、6.48、8.53倍，比纯FeTiO₃（FTO）高10.0、10.7、12.3、18.2、25.4倍。循环降解实验表明，T_OVFTO纳米复合材料在连续使用四个循环后仍保持高稳定性。基于实验结果，提出了一种S-scheme机制来解释T_OVFTO纳米复合材料对电荷载流子的有效分离过程。此外，通过光催化去除TC污染物后得到的溶液具有较好的生物相容性。综上所述，这种二元T_OVFTO光催化剂可作为环境应用的有益材料。

引言

近年来，抗生素、农药、有机染料和重金属的广泛使用导致了大规模的环境污染[1]、[2]。为了减少水污染，人们采用多种方法从废水中去除这些污染物，包括混凝/絮凝、催化反应、物理化学处理、光催化降解、臭氧氧化、吸附和生物降解等[3]、[4]。近年来，高级氧化工艺（AOPs）因能快速去除水中的有机污染物而受到更多关注[5]、[6]。异质光催化作为AOPs的一种，因其能够分解多种污染物、具有环保特性以及所用光催化材料价格适中而备受青睐[7]、[8]、[9]。在光催化过程中，当光催化剂受到特定波长的光照时，电子从价带（VB）迁移到导带（CB），生成电荷载流子[10]。这些电子和空穴会生成活性物种，进而将有机污染物氧化为无机酸、水和二氧化碳[11]、[12]。目前已研究了多种半导体催化剂，如BaTiO₃ [13]、TiO₂ [14]、Bi₂O₃ [15]、ZnO [16]和WO₃ [18]用于污染物的降解。其中，TiO₂由于具有独特的化学和物理性质（如环境相容性、低成本、高氧化能力和优异的化学稳定性）而成为研究最深入的催化剂[19]。然而，TiO₂在紫外光照射下的宽带隙和窄吸收范围限制了其光催化性能[20]。为了解决这些问题，人们采用了半导体耦合、染料敏化、金属沉积、缺陷引入和金属/非金属掺杂等策略[21]、[22]。最近，通过在TiO₂晶格中引入缺陷（如氧空位（Vo）和Ti³⁺离子）来提高其在可见光下的性能[23]、[24]。尽管如此，由于电荷载流子的快速复合，T_OV的光催化效率仍有提升空间[25]。因此，需要将其与其他具有合适能带的材料结合使用以增强其光催化性能[26]。 铁钛酸盐（FeTiO₃；FTO）因其稳定的性能、窄带隙和低毒性而被视为光催化过程中的有前景的钙钛矿材料[27]。 此外，FTO表面的氧空位可以促进电荷分离[28]、[29]。尽管FTO能有效吸收可见光，但其较低的催化性能限制了其在光催化修复反应中的应用[28]。最近，S-scheme异质结构建策略在光催化领域引起了越来越多的关注[30]。与传统异质结相比，S-scheme异质结通过内部电场最小化了载流子的复合，同时保持了最佳的氧化还原能力[31]。因此，开发S-scheme异质结是提高光催化性能的有效方法[32]。Xu等人使用S-scheme FeTiO₃/g-C₃N₄杂化物作为光Fenton催化剂，在可见光下高效去除盐酸四环素（TCH），该系统在五个循环内的光Fenton活性表现出优异的可回收性，其显著的光Fenton性能归因于光诱导电子-空穴对的有效分离和高氧化还原能力[33]。Liang等人报道，S-scheme FeTiO₃/g-C₃N₄异质结在可见光/过氧化单硫酸盐（PMS）条件下对克雷马唑（CBZ）的降解表现出高效[34]。然而，据我们所知，目前尚未有关于S-scheme TiO_2-x/FeTiO₃（T_OVFTO）异质结的制备及其在可见光下的光催化性能的研究。 本文采用了一种简便的方法制备了二元T_OVFTO光催化剂，并通过XPS、XRD、BET、TEM、HRTEM、FT-IR、SEM、EDS、PL、EIS、SAED、UV-vis DRS、Bode、Mott-Schottky（M-S）和光电流等技术对其化学组成、形态、纯度、结构、纹理、电子和光学性质进行了表征。这些二元纳米复合材料被用于在可见光照射下光催化降解头孢氨苄（CFX）、孔雀石绿（MG）、刚果红（CR）和四环素（TC）。同时，通过淬火实验明确了T_OVFTO-2光催化系统中参与TC污染物降解的活性物种，并研究了其光稳定性及可能的光催化机制。最后，通过培养小麦颗粒评估了处理后的TC溶液在T_OVFTO-2材料上的生物相容性。

结果与讨论

表征

材料的比表面积（S_BET）使用Belsorp Mini II仪器测定。氧化态和化学组成通过PHI 5000 Versa Probe II X射线仪器测量。样品的XRD图案使用Philips Xpert X射线衍射仪进行分析。样品的光吸收特性使用Scinco 4100仪器测定。PL分析采用Perkin Elmer（LS 55）分光光度计进行。

结果与讨论

为了确定T_OV、FTO和T_OVFTO-2样品的晶体结构，进行了XRD分析，结果如图1所示。T_OV材料的特征峰与锐钛矿TiO₂（JCPDS编号04-0477）一致[36]。FTO材料的衍射角与菱形结构（JCPDS编号75-1211）相匹配[37]、[38]。T_OVFTO-2纳米复合材料的衍射峰与T_OV和FTO的衍射峰一致，证实了其成功制备。

结论

总结来说，采用水热-煅烧方法合成了一系列S-scheme T_OVFTO纳米复合材料。通过BET、BJH、PL、FT-IR、UV-vis DRS、TEM、HRTEM、SEM、EDS、XRD、EIS、SAED、M-S、XPS、Bode和光电流等技术对这些材料进行了全面分析。结果表明，在可见光照射下，T_OVFTO-2纳米复合材料在去除孔雀石绿（MG）、品红（FS）、刚果红（CR）、头孢氨苄（CFX）和四环素（TC）等污染物方面表现出优异的性能，其效率分别比TiO_2-x（T_OV）高6.17、

作者贡献声明

Aziz Habibi-Yangjeh： 负责撰写、审稿与编辑、项目管理和概念构思。 Arezou Saadati： 负责撰写初稿、实验研究和数据分析。 Alireza Khataee： 负责审稿与编辑、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了伊朗国家科学基金会（INSF）的支持，项目编号为4032574。