光照-摩擦-反应器底部涂层的协同作用：利用纳米二氧化钛提升有机污染物的摩擦催化降解效率

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Light irradiation-friction-reactor bottom coating synergy: Boosting tribocatalytic degradation of organic pollutants using Nano-TiO2

　　

余苏|张博|康德鹏|程翔|杜坤|冯乐清|徐杰|赵伟

中国天津市天津城建大学材料科学与工程学院，邮编300384

摘要

本研究针对传统光催化存在的依赖光照强度大、效率低以及现有摩擦催化机制不明确的缺陷，提出了一种“光照-摩擦-涂层”协同催化策略，采用TiO₂/聚四氟乙烯（PTFE）摩擦电系统，并在反应器底部涂覆聚乙烯、钛和铜。系统研究了不同驱动条件下TiO₂对有机污染物的降解性能及机制。研究结果表明，通过增大TiO₂与摩擦材料的接触面积并优化涂层的界面结合能力，可显著提升电荷转移效率。在“光照-摩擦-涂层”协同作用下，降解速率常数可达0.135 min^?1，远优于单独使用各因素或双因素组合的情况。机制分析显示，无光照时反应以羟基自由基（·OH）为主，而光照条件下空穴（h⁺）成为主要活性物种。底部涂层通过界面电荷富集效应促进活性物种的产生。本研究阐明了TiO₂的摩擦催化机制以及三种因素的协同增强作用，为开发低光照依赖的高效催化污染控制技术提供了重要依据。

引言

日益严重的环境污染和能源短缺问题不仅威胁人类健康，还会阻碍经济的长期稳定发展。因此，亟需开发绿色催化技术来应对这一双重挑战[1,2]。近年来，出现了多种新兴催化技术，如光催化[3]、热电催化[4]、压电催化[5]、接触电催化[6,7]以及摩擦催化[8,9]。这些催化技术能够将太阳能、热能和机械能等天然能源转化为化学能，用于能源生产和污染物降解等领域。其中，作为新兴领域的摩擦催化已广泛应用于能源生产、材料科学等多个领域。对催化剂材料体系的多尺度调控为提升摩擦催化效率开辟了新途径[10,11]。

目前，摩擦催化的研究仍面临诸多挑战。就反应速率而言，现有系统的降解效率较低，反应动力学较慢[12,13]。已有研究表明，即使反应时间延长至12到24小时，RhB的降解率也只有60%-74%。另一个根本性问题是其机制尚不明确。对ZnO[14,15]、BaTiO₃[16]和Bi₂WO₆[17]等材料的实验表明它们具有降解染料的能力，但这些材料本身具有压电性，其固有的极化特性会导致催化机制与压电效应相互耦合，使得难以区分摩擦催化在染料降解过程中的真正作用[18,19]。目前，关于非压电材料在摩擦催化中应用的研究正在不断进展。崔等人[20]通过使用特氟龙磁盘降解染料，证明了这种方法的可行性。此后，研究重点转向通过界面工程优化性能。雷等人[21]和贾等人[22]的研究表明，使用金属盘作为摩擦界面可通过高效的界面电荷转移机制显著提升催化活性。这一策略成功地将摩擦催化的应用范围从污染物降解扩展到了可燃气体合成领域。毛等人[23]和苏等人[24]则通过在烧杯底部涂覆涂层进行摩擦催化实验，实现了有机染料的高效降解。这些研究凸显了涂层材料在机械能向化学能转换中的关键作用。

在光催化研究中，机械搅拌通常仅被视为增强物质传递和改善分散性的辅助手段，而其引发摩擦催化效应的潜力往往被忽视[25,26]。作为经典的光催化剂，TiO₂因其合适的能带结构、优异的稳定性和较强的氧化能力而被广泛使用[27,28]。近期研究发现了其在摩擦催化环境修复方面的潜力，但摩擦与光激发之间的协同机制仍不清楚，相关的活性物种和反应路径也需要进一步阐明。为了解决这一问题，本研究以市售的P25 TiO₂纳米颗粒作为模型催化剂，旨在突破将搅拌视为单纯辅助过程的传统观念。我们系统研究了TiO₂在自身摩擦催化作用以及摩擦辅助光催化作用下的行为。通过设计对比实验，分别使用常规的C形搅拌棒和定制的高接触效率摩擦盘，定量评估了TiO₂在黑暗条件（摩擦催化）和光照条件（摩擦-光照协同催化）下对典型污染物的降解性能。结合自由基捕获实验，进一步阐明了其背后的反应机制。本研究旨在为揭示机械摩擦在催化过程中的真正作用提供新见解，并为开发高效的协同催化技术奠定基础。

章节节选

材料

本实验所用的P25 TiO₂纳米颗粒购自德国Evonik Industries AG公司，无需进一步纯化即可直接使用。氢氧化钠（NaOH）和异丙醇（C₃H₈O）由天津化学试剂有限公司提供。六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）则来自天津基准化学试剂有限公司。聚乙烯（PE）薄膜、铜（Cu）箔和钛（Ti）箔则由台州千曲金属材料有限公司供应。

材料信息

通过XRD对P25 TiO₂的物相组成进行了分析，结果如图1所示。该材料为锐钛矿（JCPDS编号21-1272）和金红石（JCPDS编号21-1276）的混合相。锐钛矿相的特征衍射峰，如(101)、(004)和(200)峰（对应的2θ值分别约为25.3°、37.8°和48.1°），在衍射图谱中呈现为较强的主峰。而金红石相的特征峰则包括

结论

本研究提出了一种“光照-摩擦-反应器底部涂层”的新型协同策略，用于系统研究不同驱动条件下TiO₂纳米颗粒对有机污染物的降解性能及机制。研究结果表明，作为非压电材料的TiO₂具有出色的内在摩擦催化活性，能够有效避免压电效应的干扰，是阐明相关机制的理想模型

CRediT作者贡献说明

余苏：实验研究、方法设计、数据可视化、初稿撰写。张博：资金获取、研究指导、论文审阅与编辑。康德鹏：数据整理、正式分析。程翔：数据整理、资源准备。杜坤：资金获取、实验研究、研究指导。冯乐清：结果验证。徐杰：方法设计、研究指导。赵伟：概念构思、资金获取、研究指导、论文审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益关系或个人关系。