一：背景

随着工业化和药物消费量激增，水体中药物残留，如对乙酰氨基酚，已成为全球性环境威胁。传统吸附法存在再生困难，而光催化技术因其绿色高效备受关注。二氧化钛（TiO₂）作为经典光催化剂，但其宽禁带（仅吸收紫外光）和电子-空穴快速复合的缺陷限制了实际应用。为此，研究者提出通过构建异质结（如p型NiO与n型TiO₂复合）优化光催化性能。

二：摘要

本研究首次通过溶胶-凝胶法结合静电纺丝技术，成功制备了NiO掺杂的TiO₂复合纳米纤维（NiO-TiO₂），并通过500℃煅烧优化结构。实验表明，5 wt% NiO-TiO₂纳米纤维在可见光下4小时内对ACT降解率高达98.8%，较纯TiO₂提升近一倍。结合DFT计算揭示了NiO促进电荷分离的机制，并通过循环实验验证了材料稳定性。该成果为定制化光催化剂设计提供了新思路。

三：核心内容

（1）复合纳米纤维的制备

研究选用多种化学试剂，将不同含量的 NiO 分散在乙醇中，同时将钛酸四异丙酯溶解在乙酸和乙醇混合液中，并加入聚乙烯吡咯烷酮。所得溶液经静电纺丝后，在 500℃煅烧，得到不同 NiO 含量的 NiO - TiO₂复合纳米纤维，如 TN1（1 wt% NiO - TiO₂）、TN3（3 wt% NiO - TiO₂）和 TN5（5 wt% NiO - TiO₂）。这样采用电纺法直接将NiO掺杂到TiO₂纳米纤维中，避免了传统方法中使用前驱体的复杂步骤，实现了NiO与TiO₂的高效复合。

（2）结构与形貌表征

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察纳米纤维的表面形貌和内部结构。结果显示，所有样品均保持了纳米纤维的形貌，且随着NiO含量的增加，纤维直径略有增加（图1）。X射线衍射（XRD）分析表明，NiO的引入促进了TiO₂从锐钛矿相向金红石相的转变，这表明NiO的掺杂对TiO₂的晶体结构产生了显著影响。

图 1. TN1、TN3和 TN5样品的SEM图

（3）光催化性能测试

以可见光卤素灯为光源，模拟自然光照条件，对制备的样品进行对乙酰氨基酚降解实验。结果显示，NiO 的添加显著提高了复合材料的光催化效率，其中 TN5 样品降解效率最高（见图 2）。在 4 小时内，TN5 样品对乙酰氨基酚的降解效率达到 98.8%（见图2a）。

图 2. (a) 在 TiO 2 上，不同 NiO 浓度下对 ACT 的降解，以及(b)相应的光催化动力学。

（4）机理分析

通过密度泛函理论（DFT）计算，研究了NiO-TiO₂复合材料的电子结构和电荷转移机制。计算结果表明，NiO的引入显著改变了TiO₂的电子结构，促进了光生载流子的分离和可见光吸收（图3）。此外，通过自由基猝灭实验验证了超氧自由基（O₂•⁻）和空穴（h⁺）在降解过程中的关键作用。

图3.NiO-TiO 2催化剂在可见光下降解ACT的简化模型

经过5次循环实验后，TN5的光催化效率仅下降19%，且通过500°C热再生处理可完全恢复其初始活性（图4）。这表明NiO-TiO₂复合纳米纤维具有优异的稳定性和可重复使用性，具有实际应用的潜力。

图 4. (a) TN5 的重复使用和再生，(b) 在 NiO（5 wt%）-TiO 2 和 EDTA、异丙醇（IPA）或对苯醌（BQ）存在下乙酰氨基酚的降解，(c) 在可见光存在下，NiO（5 wt%）-TiO 2 降解乙酰氨基酚时对 V. fischeri 荧光的抑制。

四：研究创新

本研究通过创新的电纺法成功制备了NiO-TiO₂复合纳米纤维，并在可见光下实现了对乙酰氨基酚的高效降解。NiO的引入显著增强了TiO₂的光催化性能，特别是5 wt% NiO掺杂的TiO₂纳米纤维（TN5）表现出优异的降解效率和稳定性。此外，通过DFT计算揭示了NiO-TiO₂复合材料中电荷转移机制，为优化光催化效率提供了理论依据。本研究不仅为水污染治理提供了新的高效光催化材料，也为设计新型复合光催化剂提供了重要的参考。

查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.136077