一步电纺SrTiO₃修饰金红石TiO₂纳米纤维：增强UV驱动甲基橙光催化降解

摘要

本文报道了一种简单的一步电纺法合成SrTiO₃修饰金红石TiO₂复合纳米纤维。X射线衍射、扫描和透射电镜证实成功形成SrTiO₃/TiO₂异质结。光催化测试显示，SrTiO₃/TiO₂（金红石）纳米纤维在UV光照下降解甲基橙（MO）速率几乎是纯TiO₂纳米纤维的两倍，得益于其高结晶度和高效的光生电荷载流子分离。

研究背景

二氧化钛（TiO₂）因环境友好、化学稳定、光电性能强，是基准半导体材料，广泛用于光学、光伏、传感器、废水治理。锐钛矿TiO₂光催化活性通常优于金红石，但较宽带隙（3.2 eV）限制可见光吸收。金红石TiO₂带隙稍窄（3.0 eV）、热力学稳定性更高，更适合污染物降解重复使用。提升金红石TiO₂光催化效率仍是关键挑战。构建高比表面积形貌（纳米纤维、纳米带、微花）和与其他半导体构建异质结（ZnO/TiO₂、CdS/ZnO、CeO₂/石墨烯）均有效。钛酸锶（SrTiO₃）热稳健、抗光腐蚀，用于制氢、脱氮、分解水、染料降解。SrTiO₃/TiO₂异质结促进载流子分离，增强光催化活性。但SrTiO₃修饰金红石TiO₂纳米纤维报道稀少，因传统合成繁琐。电纺法简单可放大，可控制组分和形貌。本研究提出单步电纺制备SrTiO₃/TiO₂（金红石）纳米纤维，研究其光催化性能及机理。

实验方法

材料

分析纯乙酸、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.5%）、四丁基钛酸酯（TBT，99.0%）、乙酸锶（99.97%）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mw=1.3×10⁶），购自上海麦克林生化科技有限公司。

SrTiO₃/TiO₂（金红石）复合纳米纤维制备

直接电纺后煅烧（图1）。2.2 g PVP溶于8 mL DMF和2 mL乙酸，搅拌8 h。加入2 g TBT搅拌4 h。逐渐加入乙酸锶至溶液透明。所得溶胶-凝胶装入配0.5 mm不锈钢针头玻璃注射器，泵速0.6 mL/h。施加15 kV电压，针头-收集器距离15 cm，相对湿度<40%，20°C。收集的无纺布80°C干燥6 h，然后700°C（5°C/min）煅烧1 h得SrTiO₃/TiO₂（金红石）纳米纤维。同法制备纯TiO₂（金红石）和SrTiO₃纳米纤维对比。SrTiO₃负载量1、3、5、10 wt%分别记为ST-1、ST-3、ST-5、ST-10。

表征

场发射扫描电镜（FESEM，日立S-4800）联用能谱（EDS）观察表面形貌。透射电镜（TEM，JEM-2100，200 kV）和高分辨TEM（HRTEM）揭示微观结构。X射线衍射（布鲁克D8-Advance，Cu Kα，λ=1.518 Å）鉴定晶相。UV-漫反射光谱（日立U-3900）记录光吸收。

光催化活性测试

50 mL石英反应器中分散30 mg催化剂于15 mg/L甲基橙（MO）溶液。暗反应搅拌30 min达吸附-解吸平衡。25 W UV-C汞灯（λ≈254 nm）驱动降解。每10 min取5 mL离心，分光光度计464 nm测残留MO浓度。

结果与讨论

图2展示纯TiO₂（金红石）、纯SrTiO₃和SrTiO₃/TiO₂复合物XRD图谱。2θ=27.5°、36.1°、41.3°、54.4°峰对应金红石TiO₂（110）、（101）、（111）、（211）晶面（JCPDS 78-1510）。32.4°、40.0°、46.5°、57.8°峰匹配立方SrTiO₃（110）、（111）、（200）、（211）晶面（JCPDS 84-0443）。两相清晰共存，证实700°C煅烧下成功形成SrTiO₃/TiO₂异质结，增强载流子迁移率和光催化活性。

ST-3样品FESEM图（图3）：原位纤维直径~300 nm，表面光滑连续。700°C煅烧后直径收缩至~200 nm，纤维变细变粗糙，增加比表面积，提供更多光催化活性位点。

TEM和HRTEM（图4）进一步确认金红石TiO₂和立方SrTiO₃共存。清晰分辨0.324 nm（TiO₂ (110)）和0.275 nm（SrTiO₃ (110)）晶格条纹，证实形成紧密异质结，促进高效电荷分离。选区电子衍射（SAED）和EDS谱（图4c-d）佐证高结晶度和元素组成。

光催化降解MO评估（图5）：40 min UV照射后降解率分别为ST-1 62%、ST-3 93%、ST-5 79%、ST-10 43%、纯TiO₂ 47%、纯SrTiO₃ 44%。ST-3活性最高，约为纯TiO₂两倍，展示最优SrTiO₃负载量的益处。过量SrTiO₃（ST-10）降低性能，因SrTiO₃单独光催化较弱；平衡异质结至关重要。

循环测试（图5c）显示五次循环后活性几乎无损失，表明结构稳定性强、循环性能优异。

增强光催化机理示意图（图6）：UV照射下SrTiO₃和金红石TiO₂均生成电子-空穴对。SrTiO₃导带电子转移至TiO₂导带，空穴迁移至SrTiO₃价带，有效分离电荷并延长寿命。这些载流子与溶解氧和水反应生成活性氧物种氧化MO分子。示意图（图6）和反应路径（式1-10）确认此过程。

综上，SrTiO₃/TiO₂（金红石）复合纳米纤维是廉价、可放大、高效的染料废水处理光催化剂。

结论

我们通过单步电纺工艺成功制备SrTiO₃修饰金红石TiO₂纳米纤维。所得异质结纳米纤维凭借高结晶度和三维形貌，显著提升光催化性能，UV驱动甲基橙降解速率接近纯TiO₂两倍。本研究表明，简单电纺结合合理异质结设计，可制备适合大规模环境应用的稳健光催化剂。