回收PET/BiVO4微纤维的合成及其降解亚甲基蓝的光催化性能

《Inorganic Chemistry Communications》：Synthesis and photocatalytic performance of recycled PET/BiVO4 microfiber for methylene blue degradation

　　

Railson Silva Ribeiro|Lucas Dall Agnol|Israel da Luz Rodrigues|Achilley Nahid Barros Costa|Clenilton Costa dos Santos|Ulisses Magalhaes Nascimento|Leonardo Tadeu Boaes Mendon?a|Gricirene Sousa Correia

巴西马兰豪州联邦教育、科学和技术学院材料科学与技术研究生项目，圣路易斯

摘要

塑料污染和含染料废水是亟需解决的环境问题，需要高效且可持续的治理方法。本研究介绍了利用回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和钒酸铋（BiVO₄）制备微纤维，并研究其在可见光照射下降解亚甲蓝（MB）的光催化性能。钒酸铋是通过水热法在不同温度（100、140和180℃）下合成的，得到的样品为单斜相硫铅矿结构，平均晶粒尺寸约为45纳米，结晶度约为57%，在可见光区域（约500纳米）有强吸收。从消费后塑料瓶中获取的PET载体在硝酸中水解以增强表面附着力，随后在水热合成过程中与钒酸铋结合。对微纤维的表征表明，单斜相钒酸铋均匀分散在PET基质中，热分析显示PET的结晶度有所提高，通过热重分析估算钒酸铋含量约为2.4%；紫外-可见光谱分析则显示其在可见光区域的吸收范围更广，对应的带隙约为2.4电子伏特。光催化实验表明该微纤维能高效降解亚甲蓝，pH值为9时催化活性最高。此外，这些微纤维结构稳定，在连续五次循环后仍保持光催化效率。这些研究结果表明，将钒酸铋整合到回收PET微纤维中，可为将聚合物废物转化为用于废水处理和环境修复的功能性光活性材料提供一种可持续且可规模化的方法。

引言

塑料污染是当前最严重的环境问题之一，其根源在于聚合物生产的持续增长以及相关废物的不当处理[1]。在各类塑料中，聚对苯二甲酸乙二醇酯因其透明性、低密度、优异的机械强度和阻气性，被广泛用于包装领域，尤其是液体运输用瓶子[2]。然而，由于PET难以生物降解，不当处理会导致其在生态系统中长期积累，从而引发严重环境问题[3]。

除了塑料污染之外，合成染料造成的水污染也是重要的环境问题，这主要是由于纺织、制药和化工行业排放未经处理的废水所致[4][5]。其中，亚甲蓝是一种广泛应用于微生物学和医学领域的阳离子染料，它在水环境中具有较高的毒性和持久性。传统的废水处理方法往往无法彻底去除这类染料，因此人们开始研发能够在可见光照射下将这些染料完全分解为无毒物质的光催化剂[6]。

值得一提的是，钒酸铋因具有强的光吸收能力、较窄的带隙（约2.4电子伏特）以及在水介质中优异的光电化学稳定性，近年来被视为一种极具潜力的可见光驱动光催化剂，可用于光氧化反应。特别是，单斜相硫铅矿结构的钒酸铋，由于其更有效的电荷分离效果和更好的热力学稳定性，其光催化活性优于四方相结构[7][8][9][10]。这种单斜相钒酸铋属于I2/b（或C2/c）空间群，其晶格结构存在畸变。在该结构中，V⁵⁺离子通过氧原子呈四面体配位形成独立的VO₄单元，而Bi³⁺离子由于存在具有立体活性的6s²孤对电子，其配位环境也出现畸变。这种结构畸变降低了晶体的对称性，对材料的电子和光学性质有着重要影响。

尽管已有大量关于钒酸铋合成与改性的研究，但由于难以回收和再利用细小的光催化剂粉末，其实际应用仍然受到限制[11][12]。这些颗粒容易聚集，从而减少有效活性表面积，还可能在对水进行处理后造成二次污染。为了解决这些问题，人们提出将光催化剂固定在固体载体上，以此提高其稳定性，避免颗粒丢失，并简化回收过程。聚合物基底因其灵活性、低成本以及可调控的表面性质而备受青睐。不过，将钒酸铋整合到聚合物基质中的研究仍然较少，尤其是以纤维或微纤维为载体的研究。使用微纤维在技术上具有优势，因为其高表面积与体积比有助于更好地捕获光线并促进物质传递，进而提升光催化性能[13]。

基于以上背景，本研究开发了一种利用回收PET作为钒酸铋载体的方法，制得了具有可见光驱动光催化活性的PET/BiVO₄微纤维，可用于降解亚甲蓝。我们对这种复合材料的形态、结晶度和光催化效率进行了表征。这一方法既有助于实现聚合物废物的资源化利用，又能减轻水污染，为开发用于废水处理的多功能材料提供了可持续的途径。

章节节选

材料

硝酸（HNO₃，65%浓度）和偏钒酸铵（NH₄VO₃，纯度≥99%）购自巴西Neon商业公司。氧化铋（Bi₂O₃，纯度≥99%）和亚甲蓝染料（C₁₆H₁₈ClN₃S，纯度≥99%）由巴西Dinamica公司提供。

PET瓶的处理

透明聚对苯二甲酸乙二醇酯是从通过分类回收收集到的消费后塑料瓶中获取的，首先用蒸馏水和中性洗涤剂清洗以去除杂质，然后在65℃的烤箱中干燥24小时。

钒酸铋的化学结构与形态

首先，我们合成了不同条件的钒酸铋样品，以便研究影响其形成的各种因素。通过FTIR、拉曼光谱和XRD分析，研究了在100、140和180℃下合成的钒酸铋样品的化学结构。FTIR光谱（图2a）显示在3400–3600厘米^?1和1627厘米^?1处有吸收峰，分别对应于OH基团的伸缩振动和弯曲振动。这些信号表明样品表面存在一定程度的水合现象。

结论

通过水热法合成了单斜相硫铅矿结构的钒酸铋，并将其掺入回收的PET中，得到了PET/BiVO₄复合材料。随后通过熔融纺丝工艺处理这种复合材料，制得了具有光催化活性的微纤维，可在可见光照射下降解亚甲蓝。水热合成得到的钒酸铋具有明确的结晶结构和形态，在可见光区域（约500纳米）有强吸收，其带隙大小可通过相关分析确定。

作者贡献说明

Railson Silva Ribeiro：负责原文撰写——初稿、方法部分、实验研究、正式分析、数据整理。Lucas Dall Agnol：负责原文撰写——审阅与编辑、实验研究、正式分析、数据整理。Israel da Luz Rodrigues：负责可视化处理、结果验证、软件应用、方法研究、实验研究。Achilley Nahid Barros Costa：负责原文撰写——审阅与编辑、可视化处理、方法研究、实验研究、数据整理。Clenilton Costa dos Santos：负责原文撰写——审阅与编辑、方法研究、实验研究、正式分析部分。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢马兰豪州科学研究与发展基金会（FAPEMA）、巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）（项目编号150611/2025-0），以及UFGO的多用户显微镜实验室（LABMIC）为本研究提供的实验设施支持。

Leonardo Tadeu Boaes Mendon?a于2021年从马兰豪州联邦大学获得跨学科科学和技术学士学位，同时还拥有该大学的土木工程学位。他目前是马兰豪州联邦教育、科学和技术学院的材料工程专业硕士生，曾在北方水资源管理局CAEMA实习。他在材料表征技术以及光催化研究方面拥有丰富经验。