掺镧的Na0.5Bi0.5TiO3陶瓷在水处理中的压电催化增强效应

《Inorganic Chemistry Communications》：Piezocatalytic enhancement in La-doped Na0.5Bi0.5TiO3 ceramics for water treatment

本研究通过La掺杂Na0.5Bi0.5TiO3陶瓷，采用固相反应法制备不同浓度样品。XRD证实La成功替代Bi，1.5 mol%掺杂使密度达98.5%，压电系数提升至101 pC/N，RhB降解效率达92%（120 min，1 g/L）。球磨系统（2 g/L）中降解61%，5次循环后性能稳定。该研究证实La掺杂有效增强压电催化活性，为可持续废水处理提供新途径。

　　

Mohit Singhal|Aditya Gaur|Akshay Gaur|Dhiraj Kumar Singh|Satyanarayan Patel

印度理工学院印多尔分校机械工程系，453552，印度

摘要

在本研究中，通过掺入La（1、1.5和2摩尔%）来提高Na_0.5Bi_0.5TiO₃（NBT）陶瓷的压电催化性能。La掺杂增加了烧结颗粒的密度（从91%增加到98.5%），并显著增强了其极化响应。NBT-xLa的压电系数从58 pC/N（x = 0）增加到101 pC/N（x = 1.5%）。此外，压电系数与相对介电常数的比值随着La浓度的增加而增加，表明压电潜力得到提升。优化后的NBT-0.015La组合物在120分钟内，在1克/升的催化剂用量下，通过超声处理实现了92%的RhB降解率。当作为压电催化剂应用于球磨系统中时，相同组成的催化剂在2克/升的用量下实现了约61%的降解率。经过多次重复使用后，极化的NBT-0.015La颗粒的降解率仍保持在61–67%之间，且性能几乎没有损失。总体而言，NBT-0.015La表现出优异的压电效率、稳定性和可重复使用性，为可持续废水处理提供了一种有前景的无铅方法。

引言

水污染已成为影响生态系统各个方面的关键环境问题。这些污染物具有强烈的化学和生物活性，即使在传统的废水处理后仍然存在，因此需要更高效和可持续的修复策略。先进氧化工艺作为一种有前景的水处理方法应运而生，其中活性氧物种（如超氧阴离子（·O₂^?）和羟基（·OH）自由基）从各种来源生成，并随后降解污染物[1]。在过去十年中，人们投入了大量精力研究机械振动辅助催化技术，即压电催化，用于有机污染物的降解[2]。压电催化过程有两个主要前提：首先是材料的非中心对称晶体结构[3]；其次是实验条件需要持续的机械振动，这为利用低等级的机械能量（例如噪声、风和流体运动）提供了广阔的机会[4]。非中心对称材料（铁电或压电材料）的降解活性是通过持续的机械激励实现的。这种激励导致电荷中心的位移，产生压电势，从而分离电子-空穴对，促进界面催化氧化还原反应，进而降解污染物[5]。目前正不断努力开发更高效的压电催化剂。为了提高催化性能，人们探索了多种化学和物理方法。其中，调整催化剂形态、减小尺寸、提高孔隙率、构建异质结以及元素掺杂等方法被证明是简单而有效的方法[4]、[6]、[7]、[8]、[9]。尽管纳米结构催化剂通常具有较高的催化活性，但由于催化剂回收和再利用的困难，其实际应用受到限制[10]。此外，最近的研究表明，使用球磨机可以利用低频机械能量来降解污染物[11]。最初，基于铅的压电材料表现出优异的压电催化性能。然而，由于对铅毒性的担忧，人们开始关注无铅替代品，包括ZnO [12]、Bi₂WO₆ [13]、MoS₂ [14]、g-C₃N₄ [15]、BaTiO₃ [16]、BiFeO₃ [17] 和 Na_0.5Bi_0.5TiO₃ (NBT) [4]。在这方面，NBT具有钙钛矿结构，表现出铁电行为和扩散相变。NBT具有较大的残余极化、较高的居里温度、强的结构稳定性和显著的压电响应[4]、[18]。最新文献将NBT视为一种非常有前景的压电催化剂，通过化学方法或形态学策略对其进行进一步改性可以提升其催化活性[19]。此外，化学改性已被证明可以有效调整铁电和介电行为。据报道，La³⁺掺杂可以增强铁电性、拓宽相变范围并稳定相关Bi基化合物的电学性质[20]。La³⁺的离子半径（1.36 ?）与Bi³⁺（1.39 ?）和Na⁺（1.39 ?）相近，使其能够掺入NBT钙钛矿晶格的A位[21]。这些发现表明，La掺杂可能是一种可行的策略，用于优化NBT的电学和结构特性，从而提高其压电催化性能。因此，本研究旨在通过La掺杂来改善NBT陶瓷的压电催化活性，并研究在超声机械能量作用下的RhB染料降解情况。为了进一步探索低频机械振动，使用球磨作为实验平台，球体碰撞激活了NBT陶瓷的压电势。为了避免过滤，本研究使用了块状NBT陶瓷（颗粒形式）。

章节摘录

催化剂合成

Na_0.5Bi_0.5TiO₃?xLa₂O₃ (NBT?xLa) 陶瓷组合物（x = 0、0.5、1和2摩尔%）是通过固态反应方法制备的。所用前驱体（纯度大于99%）为Na₂CO₃、Bi₂O₃、TiO₂和La₂O₃，均来自美国马萨诸塞州的Alfa Aesar公司。根据化学计量比称量前驱体，然后在50毫升的氧化锆罐中，使用氧化锆球以400转/分钟的转速球磨12小时。混合后的前驱体干燥后，在850°C下以5°C/分钟的速率煅烧2.5小时

催化剂表征

图1(a)显示了NBT-xLa组合物的室温XRD图谱。所有组合物均呈现单一的钙钛矿相，峰值表明La³⁺完全掺入了NBT晶格中，没有形成其他次要相。随着La³⁺含量的增加，衍射峰{110}逐渐向更高的2θ值移动，如图1(b)所示，这可以归因于宿主阳离子和取代阳离子之间的离子半径差异。

结论

NBT陶瓷作为污染物降解的压电催化剂具有巨大潜力。本研究重点是通过固态反应途径将La（1、1.5和2摩尔%）掺入NBT中。NBT-xLa（x = 0、1、1.5和2摩尔%）的XRD图谱和拉曼光谱证实了La³⁺离子成功取代了NBT晶格中的阳离子，且没有形成其他次要相。合成的NBT基组合物的颗粒形态没有明显变化

CRediT作者贡献声明

Mohit Singhal：撰写初稿、验证、方法论设计、实验研究、数据整理、概念构思。Aditya Gaur：数据可视化、概念构思。Akshay Gaur：撰写与编辑。Dhiraj Kumar Singh：数据整理。Satyanarayan Patel：撰写与编辑、数据可视化、监督、资源协调、方法论设计、实验研究、资金申请、概念构思。

资助

SP感谢科学与工程研究委员会（SERB）在核心研究项目CRG/2023/000374框架内的财政支持。本研究还得到了SAKSHAM组织的PAIR网络的支持，该网络由ANRF（Anusandhan国家研究基金会）资助，项目编号为ANRF/PAIR/2025/000018/PAIR，由印度理工学院印多尔分校管理和指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢印度理工学院印多尔分校的精密仪器中心（SIC）提供的表征设施。

Mohit Singhal在印度泰米尔纳德邦的蒂鲁奇拉帕利国家技术学院获得了生产工程硕士学位。他目前是印度理工学院印多尔分校机械工程系的研究学者，主要研究方向为压电催化和摩擦催化，特别是有机污染物的降解。