Y. Pan, W. Liang, Z. Wang, J. Gong, Y. Wang, A. Xu, Z. Teng, S. Shen, L. Gu, W. Zhong, H. Lu, B. Chen. Facile synthesis of Pt clusters decorated TiO2 nanoparticles for efficient photocatalytic degradation of antibiotics. Interdiscip. Mater. 2024; 3(6). doi: 10.1002/idm2.12203
摘 要
环境污染因其对公众健康和生态系统的不利影响而成为全球关注的问题。有机化学品、染料和药物残留物是水中发现的有害污染物之一。传统的修复方法在消除这些污染物的效果方面存在局限性。幸运的是，光催化降解已成为解决环境困境的一种有前景的长期解决方案。光催化降解是一种利用光能驱动化学反应的过程。这项技术需要使用光催化剂，通常是半导体材料，它吸收光能并将其转化为化学能以促进反应。光催化剂吸收光能（通常在紫外线或可见光范围内）的能力对光催化降解至关重要。这种吸收导致光催化剂内的电子被激发到导带中，在价带中留下带正电的空穴。由此产生的电子-空穴对对后续的化学反应至关重要。电子迁移到光催化剂的表面，在那里它们可以导致有机污染物的氧化。同时，空穴可以与水分子反应产生羟基自由基，羟基自由基是参与各种污染物分解的高反应性物质。
在光催化领域，TiO2是一种流行且研究广泛的光催化剂，具有很多优点。当暴露在紫外光下时，它产生的光生载流子具有显著的氧化还原能力，使其能够氧化和降解有机物质，同时减少重金属离子。它具有化学稳定性，能够在光催化反应中维持长期有效的催化性能。此外，它易于制备和改性，元素掺杂和表面改性是调节其光电性能和催化活性的有用技术。因此，TiO2光催化技术在环境净化、抗菌除臭、污水处理和空气净化等领域具有广泛的应用前景。尽管TiO2光催化剂具有各种优点，但在实际应用中仍存在一定的缺点。例如，催化剂的光响应范围仅限于紫外光，这阻碍了其在阳光下的使用。其光催化活性受到自身低量子效率的影响，这是由其光生电子和空穴易于复合造成的。为了克服这些缺点，研究人员正在不断探索新的改性方法，以提高TiO2光催化剂在光响应范围和量子效率方面的性能。这些修饰包括元素掺杂、染料敏化、构建异质结、贵金属沉积等。贵金属沉积是一种流行的修饰技术，可以通过降低光生电子和空穴复合的可能性以及促进光生电子的快速转移来提高光催化活性。此外，它可以改变TiO2的能带结构，使其吸收可见光，从而拓宽光响应范围。然而，通过简单的方法制备具有均匀贵金属分散的TiO2光催化剂仍然具有挑战性。
基于上述背景，本研究采用了一种简单的微波辅助水热方法来合成Pt团簇修饰的TiO2纳米颗粒。所得Pt团簇的尺寸范围为1-2 nm，均匀分布在TiO2基质的表面。Pt和TiO2成分之间存在强烈的电荷转移。它有助于光诱导电子-空穴对的有效分离。Pt团簇修饰的TiO2纳米颗粒在降解氧氟沙星和左氧氟沙星方面表现出卓越的光催化效果。此外，光催化性能增强的机理、抗生素的吸附模型和抗生素降解的反应路径等也都得到了探索。这项工作提供了一种易于使用的方法来制备专门用于降解污染物的TiO2基光催化剂。
图1 （A）Pt-TiO2-x（x=5，10，15，20）的XRD图谱。（B-D）不同放大倍数下Pt-TiO2-10的TEM图像。（E）Pt-TiO2-10的高分辨率TEM图像。（F）Pt-TiO2-10的SAED图（红线对应于TiO2的晶面，绿线对应于Pt的晶面）。（G-J）Pt-TiO2-10的元素分布图。
图2 Pt-TiO2-x（x=5，10，15，20）光催化系统中氧氟沙星（A）和左氧氟沙星（B）的浓度随时间的变化。
图3 （A）Pt-TiO2-x（x=5，10，15，20）的UV-Vis吸收光谱、（B）时间分辨光致发光光谱、（C）光电流和（D）电化学阻抗光谱（EIS）测量。
图4 （A-D）Pt-TiO2-x（x=5，10，15，20）的KPFM图像。（E-H）Pt-TiO2-x（x=5，10，15，20）在光照和黑暗条件下的CPD图。
图5 （A，B）在有或没有光照射的DMPO存在下，在水中对Pt-TiO2-x（x=5，10，15，20）进行原位EPR试验。（C，D）在有或没有光照射的DMPO存在下，在甲醇溶液中对Pt-TiO2-x（x=5，10，15，20）进行原位EPR试验。
图6 氧氟沙星在TiO2（101）上的吸附模型（包括俯视图和侧视图）。（A） 倾斜，（B）垂直，（C）平行。
图7 氧氟沙星的光降解途径。
图8 光降解机理示意图。
谷 林
钟文武
台州学院材料学院教授，博士生导师，研究方向主要为光催化材料、电催化材料及锂离子电池等。浙江省杰青，浙江省高校高层次拔尖人才。获中国材料研究学会科学技术奖二等奖，主持国家自然科学基金项目3项、科技部子课题1项、浙江省杰出青年基金项目1项、浙江省自然科学基金2项。在Angew. Chem.-Int. Edit.、Adv. Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Energy Mater. 等国际高水平SCI期刊上发表论文70余篇。
Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。
· 2022年1月首发，前三年完全免费发表
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· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”
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