氮和碳氮化物共掺杂增强TiO₂催化与抗菌性能

摘要

采用共沉淀法制备氮（N）和碳氮化物（C₃N₄）共掺杂TiO₂纳米结构。固定N掺杂量，在TiO₂晶格中掺入不同浓度（0.1、0.2、0.3 wt%）的C₃N₄。通过多种技术全面考察样品的结构、化学、光学和形貌性质。XRD结果证实锐钛矿相TiO₂存在及N取代掺杂，掺杂后结晶度提高、晶粒尺寸增大。HR-TEM显示纳米结构生长在二维C₃N₄纳米片表面。EDS确认掺杂元素存在。UV-vis光谱显示N/C₃N₄共掺杂TiO₂吸收光谱红移，带隙能量降低。FTIR揭示Ti-O-Ti键形成及分子振动模式。PL光谱评价陷阱位和载流子迁移。对亚甲基蓝和环丙沙星进行光催化、声催化、光-声联合催化降解测试；并分析对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性。

引言

近年来，能源危机和环境/水体污染备受关注。化石燃料无休止消耗加剧这些问题。发达国家正转向可持续环保技术。纺织工业产生含5-15%未处理有机染料废水，全球约10⁵种染料在用，年产染料7×10⁵吨。未处理染料排放不仅影响光合作用相关的氧氮循环，还造成严重环境恶化。这些亟需解决以维持人类社会长远发展。

块体材料性能高度依赖尺寸和结构。纳米半导体因多样性质用于光催化和染料降解。各类过渡金属和非金属元素展现独特物化性质。钛氧化物与氮结合呈现加和性质。具有适当能带排列的半导体组合（含金属/金属氧化物）在能源生产和水处理有突出应用。稀土金属氧化物如TiO₂、CdO、CoO、ZnO等是主要候选材料。但TiO₂因带隙大（金红石3.0 eV、锐钛矿3.2 eV）、比表面积小、电子-空穴复合快，可见光区活性有限。1972年TiO₂首次用于UV光分解水，此后半导体光催化因氢能生产和环境治理潜力受关注。具有独特带隙（占据价带、空导带）的半导体适合光化学反应。当前重点是通过带隙工程拓展至可见光区。

TiO₂具有可调带隙、合成路线简单、环境友好等特性。为提高光催化活性，通过尿素（CH₄N₂O，含46% N）掺杂N调节带隙吸收太阳光谱。结果TiO₂带隙从3.2降至3.06 eV（N取代O）或2.46 eV（间隙掺杂），后者更利于可见光响应。C₃N₄是二维材料，可解决TiO₂比表面积小的问题，不同浓度掺杂增强光催化活性，且与原始TiO₂相比可见光区光谱响应更宽。C₃N₄带隙约2.7 eV，可增强TiO₂染料降解光催化活性。

TiO₂纳米结构也可作抗菌剂。其抗菌机制归因于光照产生的ROS（羟基自由基、过氧化氢）诱导细菌氧化应激。ROS接触细胞导致DNA和细胞膜损伤，终止细胞周期。抗菌活性还取决于比表面积、形貌、结晶度、浓度/剂量、溶液pH、封端剂及微生物种类。结合C₃N₄、TiO₂和N的优势，制备的复合材料对解决全球有机水污染物和致病菌污染具有重要意义。前人有染料降解和抗菌活性报道，但据我们所知，本研究首次报道共沉淀法合成C₃N₄掺杂N/TiO₂纳米复合材料的高效性。

本文采用共沉淀法合成原始和掺杂TiO₂纳米结构，揭示TiO₂与掺杂剂（N和C₃N₄）形成强接触，高效提升对亚甲基蓝和环丙沙星的光催化活性及对E. coli和S. aureus的抗菌性能。

实验细节

材料

尿素（CH₄N₂O，99%）和钛酸丁酯（Ti(C₄H₉O)₄，98%）购自Sigma-Aldrich（德国）；乙醇（95%）购自Panreac。C₃N₄由实验室热解尿素制得（图1a）。所有试剂未经进一步纯化直接使用。

TiO₂纳米结构制备

采用共沉淀法：55 mL乙醇、13 mL Ti(C₄H₉O)₄、5 mL去离子水混合剧烈搅拌30 min；加入~100 mL乙醇和~100 mL去离子水，50°C搅拌2 h；用0.5 M NaOH调pH至~10；离心、90°C干燥10 h；450°C退火4 h得稳定锐钛矿纳米结构（图1b）。

C₃N₄掺杂N-TiO₂制备

不同浓度（0.1、0.2、0.3 wt%）C₃N₄掺入N-TiO₂混合物。Ti(C₄H₉O)₄（17.45 mL）、CH₄N₂O（3 g）、乙醇和去离子水剧烈搅拌混合。超声均匀化，4000 rpm离心，90°C干燥10 h，450°C退火4 h得稳定纳米结构。制备六个样品：TiO₂、N掺杂TiO₂（N-TiO₂记为0:1）、原始C₃N₄（1:0）及不同浓度C₃N₄/N-TiO₂复合物（0.1:1、0.2:1、0.3:1）。

光催化活性评价

以亚甲基蓝（MB）和环丙沙星（CF）两种毒性染料混合降解速率评估光催化活性（PCA）。染料母液用去离子水配制（10 mg/1000 mL），10 mg催化剂加入50 mL母液。均匀搅拌后置于密封箱内汞灯（400-700 nm，400 W）下，距离~15 cm避免过热。每20 min取3 mL液用UV-vis测染料浓度。降解效率=(C₀-Cₜ)/C₀×100%（式1，C₀、Cₜ分别为t=0和最终时刻染料浓度）。

DPPH自由基清除实验

参考Kibiti和Afolayan法[23]测定自由基清除活性。不同浓度（0-500 μg/mL）原始TiO₂、C₃N₄、掺杂TiO₂纳米颗粒与等体积0.1 mM DPPH溶液混合，涡旋振荡、避光室温孵育30 min。抗坏血酸作参比抗氧化剂。分光光度计测517 nm吸光度。清除率=(A₀-A₁)/A₀×100%（A₀为对照甲醇+DPPH吸光度，A₁为样品吸光度）。

细菌分离鉴定

羊乳房炎乳样本中分离S. aureus和E. coli：初筛于5%羊血琼脂，终鉴于甘露醇食盐琼脂（MSA）和麦康凯琼脂（MCA）。凝固酶、过氧化氢酶、革兰氏染色从生化和形态学分类。

抗菌活性测定

采用孔扩散法：1.5×10⁸ CFU/mL纯化菌液涂布MCA和MSA，无菌打孔器打6 mm深孔。将不同稀释度掺杂纳米材料（500和1000 μg/50 μL）加入孔中作为最小/最大剂量，环丙沙星（5 μg/50 μL）作阳性对照，去离子水（50 μL）作阴性对照。37°C过夜培养后用游标卡尺测抑菌圈，单因素方差分析评价。

材料表征

XRD（Bruker，单色Cu K-α，λ=0.154 nm，2θ=10°-80°，扫描速率0.05°/min）分析相变和晶体结构。FTIR（PerkinElmer 3100，4000-400 cm⁻¹，32次扫描，分辨率0.2 cm⁻¹）研究官能团和化学成分。UV-vis（Genesys 10S，200-800 nm）光学研究。HR-TEM和EDS（JSM-6460LV、Philips CM30、JEOL JEM 2100F）检查层间间距和表面形貌。PL光谱（JASCO FP-8300）探究电子-空穴对转移复合。

结果与讨论

XRD分析晶体结构、相纯度和晶粒尺寸（2θ=10°-80°，图2a）。锐钛矿特征峰位于25.4°、37.8°、48.1°、53.9°、55.1°、62.7°、68.6°、70.3°、75.1°，分别对应(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)、(215)晶面（JCPDS 21-1272）。N-TiO₂复合物XRD谱图无显著变化，可能因N浓度较低。C₃N₄六方结构由13.2°(100)和27.4°(002)峰确认（JCPDS 87-1526）。掺杂样品（0.1:1、0.2:1、0.3:1）峰位无位移，但峰变尖锐，表明C₃N₄:N/TiO₂成功耦合，结晶度和结构质量提高[25,26]。Debye-Scherrer公式由最强峰(101)计算原始TiO₂层间距~0.352 nm、N-TiO₂~0.35 nm，HR-TEM验证。

SAED谱（图2b-d）显示原始TiO₂、0:1、0.1:1样品衍射面(004)、(101)、(105)、(116)、(200)、(204)、(211)，确认TiO₂四方晶系。

FTIR分析官能团和化学组成（图2e）。400-700 cm⁻¹吸收带对应Ti-O和Ti-O-Ti伸缩振动，指示TiO₂形成，与物理吸附水质子有关[27-29]。~1635和3200-3500 cm⁻¹带分别对应羟基和物理吸附水。C₃N₄谱中1624 cm⁻¹归属C-N杂环伸缩振动[32]；1232、1304、1411、1556 cm⁻¹四带归属芳香C-N伸缩振动[33,34]。所有TiO₂和C₃N₄特征峰均可见，验证C₃N₄:N/TiO₂纳米结构形成。

TEM研究形貌晶体结构（图3a-e）。N-TiO₂高表面能导致团聚（图3b）；C₃N₄为介孔纳米片（图3c）。掺杂C₃N₄后，N-TiO₂嵌入并均匀分布于纳米片上，确认包裹效应（图3d）。高掺杂时纳米片包裹N-TiO₂形成高效界面接触（图3e）。HR-TEM测0.1:1样品层间距0.35和0.33 nm，分别对应N-TiO₂(101)和C₃N₄(002)晶面，与XRD一致。各样品层间距用Gatan软件测定（图3a'-d'）。

EDX映射进一步确认界面接触（图4a-c）。0.3:1样品中C、N、Ti、O、Na五元素均匀分布（Na源自调pH用的NaOH）。结合HR-TEM和XRD，证实高掺杂样品中N和TiO₂纳米颗粒在包裹的C₃N₄纳米片内充分分散，界面接触紧密。EDX元素分析确认0.3:1和1:0纯度（图4b,c）。Ti在4.5和4.95 keV、O在0.5 keV、C和N在0.3和0.4 keV等位置均有峰，确认双掺杂物种成功掺入锐钛矿TiO₂。

UV-vis（300-550 nm）测定光学性能（图5）。原始TiO₂特征吸收峰~350 nm；N掺杂致轻微红移，因O₂和N的2p轨道重叠[36]（图5a）。C₃N₄掺杂后光谱吸收增强，归因于C₃N₄完全平面化（相邻轨道不重叠）[37]（图5b）。UV区吸收增强源于N-TiO₂和C₃N₄内部散射及协同效应（π-π*和n-π*跃迁）。C₃N₄分子工程导致峰红移，潜在提升载流子吸收跃迁能力[38]。Tauc法计算带隙：TiO₂为3.2 eV，掺杂N和C₃N₄后逐渐降至~2.9 eV（图5c-h）[39]。

PL发射光谱（激发350 nm，室温，410-520 nm，图6a）反映电子-空穴对迁移复合效率[40]。TiO₂在455 nm特征峰显示最高复合率，严重限制PCA；共掺杂后复合率下降。Shockley-Read-Hall（SRH）过程解释价带到亚带再到导带的跃迁[41]。导带边缘亚带促进PCA[42]，高掺杂样品低复合率意味着更高光生载流子传输，内在增强0.3:1 PCA。

反应机理与动力学

制备催化剂PCA机理（图7）：

1. 光激发：光子能量≥带隙能(Eg)激发价带电子跃迁至导带，留下空穴，形成e⁻-h⁺对。TiO₂ + hν → TiO₂(e⁻) + h⁺ （式2）
2. 水电离：空穴接触水生成OH·自由基。H₂O + h⁺ → OH· + H⁺ （式3） OH·作表面氧化剂靶向吸附分子参与矿化。
3. 氧吸附：光生e⁻接触水生成OH⁻，被O₂捕获生成O₂·⁻超氧自由基[43]。O₂ + e⁻ → O₂·⁻ （式4） 超氧自由基参与氧化循环，抑制e⁻-h⁺复合，维持TiO₂中性。
4. 超氧质子化：O₂·⁻生成HOO·，最终生成H₂O₂进而产生高活性OH·。 O₂·⁻ + H ⇌ HOO· （式5） 2HOO· → H₂O₂ + O₂ （式6） H₂O₂ → 2OH· （式7） 染料(MB/CF) + OH· → CO₂ + H₂O（染料中间产物） （式8） 染料 + h⁺(VB) → 氧化产物 （式9） 染料 + e⁻(CB) → 还原产物 （式10）

氧化/还原反应发生在光激发光催化剂表面[44,45]。

可见光照射下评价样品降解MB和CF（图6b）。空白实验证实无催化剂时染料稳定。降解结果（图6c）：C₃N₄降解45%，随C₃N₄浓度增加光催化活性增强。N-TiO₂降解58%高于TiO₂（32%），最高掺杂0.3:1在80 min内达85%最大降解。表观反应速率常数(k)由ln(C₀/Cₜ)对时间斜率确定（图6d），0.3:1的k值最高，约为原始TiO₂的2.5倍。

PCA增强归因于：(1) C₃N₄片层大表面积促进广泛吸附，提供额外活性位点；(2) N和C₃N₄掺杂在TiO₂禁带中诱导新能级，作为光生电子陷阱位提高电子转移效率；(3) 界面能带匹配良好，N-TiO₂从C₃N₄导带收集光生电子，改善电荷分离。一般C₃N₄可见光下产生e⁻-h⁺对快速复合，仅少量电子参与PCA；而二元掺杂纳米复合材料中，C₃N₄导带光生电子可直接转移至N-TiO₂导带（因C₃N₄导带边缘更负），如图7所示。上述因素共同提升纳米复合材料整体光催化活性[46-48]。

声催化活性（SCA）超声降解MB和CF（图8）。同PCA每20 min取样。C₃N₄、TiO₂、N-TiO₂ 80 min降解率分别36%、20%、27%；低掺杂0.1:1增至60%，高掺杂后下降。低掺杂时催化剂形成微气泡、提供更多成核活性位点产生活性自由基[49]；高掺杂时活性位点不足被染料分子占据，或过量C₃N₄限制超声能量获取[50]。

速率常数(k)由ln(C₀/Cₜ)对时间斜率计算（图8b）。原始TiO₂和C₃N₄的PCA和SCA均低效，N/C₃N₄共掺杂TiO₂复合物成为染料降解潜力催化剂。

光-声联合催化（图9）：原始C₃N₄、TiO₂、N-TiO₂降解率分别60%、40%、55%；低掺杂0.1:1达86%（PCA+SCA协同）；高掺杂虽PCA辅助但活性位点不足，SCA主导效应导致性能下降；过量C₃N₄和混合不均引起团聚，限制超声和光能获取（图9c）。光-声降解动力学k值由ln(C₀/Cₜ)对时间斜率估算（图9b）。

抗氧化特性与电子/氢原子给予DPPH自由基能力相关[51]。DPPH自由基还原能力可通过降低517 nm吸光度检测。所有样品经DPPH清除实验评价（图10）。抗坏血酸作参比，分光光度法测517 nm DPPH消失。结果显示纳米颗粒DPPH活性呈剂量依赖性增加。原始TiO₂在500 μg/mL清除率50.22%高于C₃N₄，因TiO₂可生成OH·、O₂·⁻、¹O₂等ROS与DPPH结合[51-53]。近期研究报道¹O₂为太阳光降解MB主导活性物种[53,54]。N-TiO₂清除率57.34%，比TiO₂高7%，因掺杂减小颗粒尺寸增加反应性[55,56]。0.1:1掺杂清除率达84.45%，可能因掺杂C₃N₄提供充足氮；但继续增加掺杂量清除率下降（84.45%-70.75%），因高浓度C₃N₄增加浑浊度引起拮抗相互作用[50]。

双掺杂TiO₂抗菌活性用孔扩散法测定（图11，表1）。统计学显著抑菌圈（p<0.05）：最小/最大浓度对E. coli分别1.05-2.00 mm和1.35-2.25 mm。宽泛地讲，TiO₂和N-TiO₂对S. aureus两浓度均零活性；双掺杂样品对E. coli两浓度均显著活性。C₃N₄仅最大浓度对E. coli显示1.60 mm抑菌圈。

抗菌效力受纳米颗粒尺度影响，氧化应激依赖尺寸和浓度[57]。细菌与纳米结构静电接触产生致死ROS[24,58]。ROS包裹细菌外膜，通过胞质成分外凸和膨出导致细菌死亡[59]。阳离子强结合细菌负性成分导致核糖体功能障碍和酶降解致崩溃[60]。两种可行杀菌机制：(1) Ti⁴⁺阳离子与细菌强相互作用形成负性区段导致崩溃；(2) 光照激发TiO₂价带表面电子激发，电化学O₂反应生成O²⁻自由基，进而产生H₂O₂，O²⁻物种在细菌外膜脂质/蛋白分子分解中起关键作用[61,62]。

结论

通过共沉淀法合成双掺杂TiO₂，评价其光、声、光-声催化降解MB、CF染料及杀菌活性。掺杂剂与TiO₂强接触高效提升光诱导e⁻-h⁺对分离效率。C₃N₄:N/TiO₂复合物窄带隙归因于N和C₃N₄掺入原始TiO₂。制备样品在可见光和超声波下均显示高效降解性能；光-声联合效应也作比较研究。此外，纳米复合材料对S. aureus和E. coli均表现显著杀菌效力。相信本研究将为未来制备新型二元掺杂异质结用于高效染料降解和杀菌应用开辟新视野。