為了應對反滲透過程中可能引發(fā)的生物污染問題，廣泛采用生物抑菌劑來抑制微生物的繁殖。其中，異噻唑啉酮(BIT)因其高效且廣譜的特性而被作為抑菌劑廣泛應用。然而，過度使用異噻唑啉酮也引發(fā)了一系列問題。生物接觸異噻唑啉酮可能導致皮膚過敏、神經細胞死亡等負面影響，并對生態(tài)環(huán)境造成潛在危害，因此應在排放前對異噻唑啉酮進行處理。傳統(tǒng)的處理方法通常采用臭氧氧化，然而這一過程不僅能耗較高，還伴隨著二次污染問題。為了解決異噻唑啉酮處理中的難題，光催化技術受到廣泛探索。銳鈦礦相二氧化鈦具有高光催化活性和強氧化還原能力，但其在僅占太陽光譜4%的紫外光區(qū)域展示出較高活性。此外，二氧化鈦上產生的光生電子-空穴對易發(fā)生重組，對光催化性能帶來不利影響。因此，改性二氧化鈦來降低其禁帶寬度、抑制電子-空穴對的復合，并拓展其光吸收范圍，成為解決光催化處理異噻唑啉酮所面臨挑戰(zhàn)的關鍵之一。

為提升二氧化鈦的光催化性能，引入了B元素替代TiO₂中的O，創(chuàng)造氧空位和電子缺陷。同時，以稀土金屬Gd元素對TiO₂進行摻雜，替代Ti。相對于Ti，Gd原子的較大半徑，因而Gd的摻雜導致電荷不平衡，使TiO2晶格扭曲，產生更多氧空位，這有利于太陽輻射下形成電子-空穴對，并延緩電荷載流子的復合。金屬或非金屬元素的摻雜有助于產生反應性自由基，如?OH和O₂^??，促進有機污染物的吸附和降解。此外，降低TiO₂制備過程中的煅燒溫度導致TiO₂前體（如鈦酸四丁酯）不完全礦化，這能夠引入部分碳摻雜，以增加氧空位并導致帶隙變窄。同時，碳摻雜提高材料的親水性，有助于有機污染物的吸附和催化降解。為深入研究光催化劑自由基的生成和污染物降解機理，還進行了表征、猝滅實驗、電子自旋共振（ESR）測試、質譜（MS）分析以及密度泛函理論（DFT）計算等研究。

流程1溶膠-凝膠法制備光催化劑流程

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圖1（a）GdBC-TiO₂的SEM圖像；（b-f）GdBC-TiO₂上Ti、O、C、Gd和b分布的EDS圖；（g）TiO₂的TEM圖像；（h）暴露于101晶面的TiO₂的TEM圖像；（i）暴露于101晶面的TiO₂放大后的TEM圖像、XRD圖像和優(yōu)化后的TiO₂模型；（j-l）暴露于101晶面的GdBC-TiO2的相應TEM、HRTEM圖像、XRD圖譜和原子模型。

圖2（a）GdBC-TiO₂、GdB-TiO₂、B-TiO₂、Gd-TiO₂和TiO₂的XRD圖譜；（b）TiO₂、C-TiO₂、GdB-TiO₂和GdBC-TiO₂的水接觸角；GdBC-TiO₂:（c）B1s和Gd4d的XPS光譜；TiO₂和GdBC-TiO₂（d）C1s；（e）Ti 2p；（f）O1s的XPS光譜

圖3（a）TiO₂、Gd-TiO₂、B-TiO₂、GdB-TiO₂和GdBC-TiO₂的紫外-可見光譜，以及從（αhΓ）1/2圖中獲得的相應光學帶隙；（b）TiO₂和（c）GdBC-TiO₂的理論計算帶隙；（d）TiO₂和GdBC-TiO₂的PDOS圖；（e）TiO₂和GdBC-TiO₂之間的ΔPDOS；（f）GdBC-TiO₂：Gd、B和C的PDOS圖；（g）TiO₂、Gd-TiO₂、B-TiO₂、GdB-TiO₂和GdBC-TiO₂的Mott-Schottky圖和（h）PL光譜；（i）GdBC-TiO₂-Ag4d

圖4（a）不同催化劑對BIT的光降解時間過程和（b）相應的BIT降解動力學圖；（c）在2g·L^-1濃度下，存在不同陰離子和陽離子干擾的條件下GdBC-TiO₂對BIT去除率和吸附率；（d）不同初始pH值、不同光催化劑和BIT質量比下GdBC-TiO₂對BIT的去除率和吸附率；MIT CMIT MIT和CMIT對GdBC-TiO₂的去除率和吸附率；（e）不同清除劑對BIT的光降解曲線（清除劑與污染物的質量比為100:1）；（f）GdBC-TiO₂在黑暗或自然光下的?OH和O₂^??ESR光譜（全波段）；TiO₂、Gd-TiO₂、B-TiO₂、GdB-TiO₂和GdBC-TiO₂的（g）EIS圖和（h）的瞬態(tài)光電流響應曲線。

圖5 BIT的DFT計算：（a）BIT的優(yōu)化分子結構、（b）HOMO軌道、（c）LOMO軌道、（d）ESP圖（紅色和綠色分別為富電子區(qū)和缺電子區(qū)）和（e）Fukui指數(shù)；（f）TiO₂和（g）GdBC-TiO₂的ESP圖

流程2 GdBC-TiO₂光催化降解BIT體系機理和反應途徑

第一作者：郭志仁，北京理工大學博士生。研究方向為吸附-催化水處理與資源化。

Email：3220235379@bit.edu.cn

通訊作者：徐熙焱，西班牙馬德里自治大學博士，清華大學博士后，現(xiàn)任北京理工大學化學與化工學院特別研究員/碩士、博士生導師；Separation and Purification Technology期刊副主編、Chinese Journal of Chemical Engineering（SCI影響因子（2022）= 3.8）、Results in Engineering（SCI 2022（影響因子）= 5.0）等期刊青年編委、客座編輯；中國化工學會環(huán)境保護專委會委員，中國核學會、中國環(huán)境科學學會高級會員；工業(yè)和信息化部教育與考試中心、中國技術創(chuàng)業(yè)協(xié)會校企融合專業(yè)委員會、一帶一路環(huán)境技術交流與轉移中心（深圳）等專家?guī)鞂＜?；國際分離純化技術大會（ISPT）等國內外會議組委會執(zhí)行主任、分會場主席、召集人、委員。研究致力于分離和純化技術提升與智能化，主要涉及吸附-催化水處理與資源化（核工業(yè)、石油、醫(yī)藥、城市污/廢水等）、水處理過程智能化、水質監(jiān)測與保障技術等。已主持國家重點研發(fā)計劃項目子課題、國家自然科學基金項目、中國博士后基金項目，參與西班牙經濟與工業(yè)部項目（歐盟與西班牙政府共同資助項目）等。獲得RINENG Young Investigator Award, Elsevier （2022）、全國石油和化工教育優(yōu)秀教學團隊、全國大學生化工設計競賽二等獎、互聯(lián)網+雙創(chuàng)大賽項目北京市賽二等獎指導教師等國內外教學科研獎。迄今在國內外學術刊物及會議上發(fā)表學術論文50余篇，授權多項發(fā)明專利。

Email：xiyanxu@bit.edu.cn

通訊作者：張東翔，北京理工大學化學與化工學院特別研究員/博士生導師；深圳北理莫斯科大學化學系中方主任，教授。研究方向：化學動力學、化學吸附、萃取分離技術、石油增產、乏燃料后處理。于俄羅斯門捷列夫化工大學獲得博士學位并完成博士后研究。主持完成多項科技部、教育部、環(huán)保部、基金委等省部級和國家級重大科研攻關項目，發(fā)表科研論文70余篇?，F(xiàn)任《質譜學報》編委、中國工業(yè)環(huán)保促進會理事及標準化委員會委員、中國核化學與放射化學理事、核工業(yè)機器人與智能裝備協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟理事、環(huán)境經濟學會理事等。

Email：boris@bit.edu.cn

Guo Z, Zhang X, Li X, et al. Enhanced charge separation by incomplete calcination modified co-doped TiO₂ nanoparticle for isothiazolinone photocatalytic degradation. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6453-4.