Z型石墨烯/TiO2/MnO2杂化纳米材料的简易制备及其在染料降解与抗菌中的双重应用

时间：2025年5月15日

来源：Environmental Technology & Innovation

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针对水污染治理中染料难降解和细菌耐药性问题，研究人员开发了Z型石墨烯/TiO2/MnO2(GTM)杂化光催化剂。该材料在40分钟内实现97%的亚甲基蓝(MB)降解率(k=0.174 min-1)，并对肺炎克雷伯菌(KP)和金黄色葡萄球菌(SA)表现出显著抗菌活性，为环境修复提供了高效双功能解决方案。

水污染治理正面临双重挑战：工业染料难以降解和病原菌耐药性增强。亚甲基蓝(MB)等染料因其复杂的芳香结构，传统处理方法效率低下；而肺炎克雷伯菌(KP)和金黄色葡萄球菌(SA)等病原体易形成生物膜，威胁饮用水安全。针对这些问题，泰国研究人员通过水热法开发了Z型石墨烯/TiO₂/MnO₂(GTM)杂化光催化剂，该研究发表在《Environmental Technology》上。

研究采用水热合成法制备GTM杂化材料，通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(HRTEM)表征晶体结构和形貌，利用电化学阻抗谱(EIS)分析电荷转移效率，采用紫外-可见分光光度法评估MB降解性能，并通过琼脂扩散法测试对KP和SA的抗菌活性。

3.1 XRD和FTIR分析
XRD证实GTM保留了TiO₂的锐钛矿相(JCPDS 78-2486)和MnO₂的四方相(JCPDS 24-0735)，FTIR显示568 cm^-1处Mn-O-Mn键特征峰，证实杂化成功。

3.2 HR-TEM与EDS分析
HRTEM显示GTM具有2D/2D/1D异质结构，石墨烯作为电子传输通道，SAED图谱证实多晶性质。EDS显示元素均匀分布，碳含量达61.68%。

3.6 EIS分析
GTM的电荷转移电阻最低，表明石墨烯有效促进电子-空穴分离，重组率比纯TiO₂降低35%。

4.1 MB染料降解
GTM在40分钟内降解97% MB(k=0.174 min^-1)，优于纯TiO₂(0.030 min^-1)。自由基捕获实验证实羟基自由基(^•OH)是主要活性物种。

4.1.4 抗菌评估
GTM对KP和SA的抑菌圈直径随浓度增加而扩大，100 μg/mL时效果显著，归因于ROS生成和膜破坏双重机制。

该研究创新性地构建了Z型GTM杂化体系，通过石墨烯桥接TiO₂和MnO₂，形成高效的电荷转移路径。材料兼具97%的MB降解率和显著抗菌活性，10次循环后仍保持80%效率，其2D/2D/1D结构(比表面积427 m²/g)为污染物吸附提供丰富活性位点。这项工作为开发多功能环境修复材料提供了新思路，尤其适用于染料废水处理和饮用水消毒等实际应用场景。