【材料】科学家研制出新型“解毒”纳米复合材料

水和空气是人类生存的必要条件，环境污染变得日趋严重，人们一直都在寻求补救措施。工业废物中有害的有机分子通常能在环境中长期存留和积累，一旦进入生物体内便可能损害健康。因此，开发高效方法来最大限度地去除污染物十分必要和迫切。面对此挑战，波兰科学院物理化学研究所的研究人员Juan Carlos Colmenares和Dimitrios A. Giannakoudakis与韩国汉阳大学Ki-Hyun Kim以及美国纽约市立大学Teresa J. Bandosz合作，合成了一种新型纳米复合材料并将其用于多种有毒化合物的降解。相关研究成果以“Scrolled titanate nanosheet composites with reduced graphite oxide for photocatalytic and adsorptive removal of toxic vapors”为题发表于Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2021.128907）。

碳纳米管（CNTbs）和氧化钛纳米管（TiO-NTbs）具较高的比表面积、快速的电子转移能力、良好的物理化学性质等优点，已被广泛用作催化剂（尤其是在消除有毒蒸气方面）。二氧化钛是一种光催化剂，可在紫外线甚至太阳光下降解多种化学污染物。作者试想对TiO₂纳米颗粒进行修饰，将纳米石墨烯的特性与TiO-NTbs的光反应性结合。

首先，作者合成了TiO₂-NTbs。1 g前体材料TiO₂与100 mL碱性水溶液（NaOH，10 M）混合，所得混合物在超声浴中超声处理6 h，超声波使TiO₂滚动成纳米管，滚动使得纳米管具有独特性能，并改善了其光催化性能。然后，作者将悬浮液转移到不锈钢高压反应釜中，并在150 ℃水热处理12 h，再经降温、过滤、HCl洗涤、Milli-Q水洗涤、干燥，钛酸盐纳米片（H₂Ti₃O₇）滚动得到纳米管TiO₂-NTbs。接着，作者将不同质量（分别为10.1、111.2和 250 mg）的氧化石墨烯（GO）与TiO₂ P25粉末混合加入到碱性溶液中进行耦合。最终得到的复合纳米材料称为TiO-NTbs@GOx，其中x表示GO的重量百分比。钛酸盐纳米管与rGO的耦合提高了复合纳米材料的光活性，促进了该材料对空气和水进行各种有害化学物质的净化。

图1. P25和TiO-NTbs的XRD图谱

（来源：Chemical Engineering Journal）

图2. TiO-NTbs的TEM和HR-TEM图像（箭头：非滚动的二氧化钛纳米片）

（来源：Chemical Engineering Journal）

接下来，作者采用XRD、HR-TEM、氮气物理吸附、热分析(空气或氦气)、电位滴定、XPS等对材料进行表征。XRD结果（图1）表明，与P25相比，TiO-NTbs显示出完全不同的结晶度，在Ti₃O₇^2-（或H₂Ti₃O₇）的2θ峰分别为9.6°、24.5°、28.7°和48.4°，这表明P25纳米粉成功剥落为钛酸盐纳米片。HR-TEM结果（图2）证实了H₂Ti₃O₇的纳米管形状。滚动的纳米片形成开放式纳米管，其中一些具有轻微弯曲的结构，每个管壁由3至6层组成。TiO-NTbs的比表面积达到300 m²/g，约为P25的5倍以上，TiO-NTbs@GOx的比表面积为359 m²/g，比纯TiO-NTbs高约20％。氮气吸附等温线是基于IUPAC分类的II型，表明材料具有有序的介孔，总孔容为0.872 cm³/g，尺寸为2-10 nm的孔与大于10 nm的孔的比率为0.43。该材料的孔径分布范围为1.7至28 nm，这与HR-TEM揭示的孔径大小一致。

图3.ViV蒸气吸附系统示意图

（来源：Chemical Engineering Journal）

作者在ViV蒸气吸附系统中探究了TiO-NTbs@GOx对芥子气模拟剂CEES蒸汽的吸附和光催化排毒效率（图3）。该材料在黑暗或可见光条件下对CEES表现出较高的吸附性能，吸附容量大于600 mg/g，显着高于其它预成型良好的纳米材料。有毒蒸汽在TiO-NTbs@GOx表面被解毒，形成低毒分子或无毒分子。因此，该材料是一种极具前途的水和空气净化材料。

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