【国内论文】ASS丨河南大学纳米科学与工程研究所：氧化镓复合材料在环境治理领域展现新潜力

        由河南大学纳米科学与工程研究所的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Interfacial synergy in mesoporous silica–supported Ga₂O₃ composites enables efficient dye degradation（介面协同作用使介孔二氧化硅负载的氧化镓复合材料实现高效染料降解）的文章。

        纺织、塑料和印刷等工业生产消耗大量有机染料，其中约10-20%直接排放到废水中。这些染料成分复杂，具有生物毒性和生物累积性，部分甚至具有致癌和致突变性，对生态系统构成严重威胁。因此，开发高效的废水处理技术是环境保护的迫切需求。目前的处理方法包括离子交换、溶剂萃取、生物降解、吸附和光催化等。光催化作为一种高级氧化技术（AOP），利用半导体催化剂将有毒染料转化为无机离子，因其高效、彻底的降解能力而脱颖而出。研究表明，将吸附与光催化耦合可以进一步提高染料的去除效率。氧化镓具有高化学稳定性以及较高的价带电位，是一种极具潜力的光催化材料。特别是在抗生素和染料降解方面已显示出卓越活性。

        在本研究中，报道了一种通过喷雾干燥含 8-12 % 固体质量的纳米二氧化硅水浆料，实现介孔二氧化硅微粒高产率合成的策略。所制备的介孔二氧化硅具有球形形态、窄粒径分布及高孔隙率，随后被用作负载 Ga₂O₃ 催化剂的载体。所得 Ga₂O₃/SiO₂ 复合材料经全面表征，并在暗光与紫外光（24 W）条件下评估了其对罗丹明B（RhB）和亚甲蓝（MB）的吸附及光催化性能。其中 GS3 复合材料（Ga₂O₃ 负载量 3 wt %）展现出最高降解效率。增强的去除性能归因于高比表面积驱动的吸附与 Ga₂O₃ 增强的光催化协同效应。本研究为介孔二氧化硅基光催化剂的可扩展制备提供了可靠途径，并为高效去除废水中的染料污染物提供了有前景的策略。

        催化剂载体在抑制纳米粒子团聚和增强催化性能方面起着关键作用。本研究通过将聚乙二醇（PEG）作为孔形成剂，采用喷雾干燥法将二氧化硅滤饼合成出介孔二氧化硅微球（40–45 μm）。所得颗粒具有高度有序的中孔结构，比表面积（300–400 m²/g）和孔容（1.5–1.6 cm³/g）显著，为负载 Ga₂O₃ 提供了理想支架。通过湿法浸渍法制备 Ga₂O₃-SiO₂ 复合材料，实现了 Ga₂O₃ 在介孔框架内的均匀分散。该复合材料经紫外光照条件下对罗丹明B（RhB）和亚甲蓝（MB）的光降解性能评估，展现出卓越效能：优化催化剂在 120 分钟内实现 > 96 % 的染料去除率。其增强活性源于高吸附容量（确保染料与催化剂紧密接触）与 Ga₂O₃ 驱动的光催化作用的协同效应。研究提出晶格耦合机制：二氧化硅载体通过调控 Ga₂O₃ 电子结构，抑制正负电子复合并增强电荷分离。DFT、XPS 及 SEM 分析揭示的机理证据，证实了结构与活性的关联性。本研究不仅建立了可规模化制备 Ga₂O₃ 基复合材料的策略，更彰显其作为高效光催化剂处理染料污染废水的应用潜力。

        • 通过喷雾干燥法合成了介孔二氧化硅微球作为催化剂载体。

        • 在介孔支架中分散 Ga₂O₃ 制备了 Ga₂O₃-SiO₂ 复合材料。

        • GS3 复合催化剂展现出卓越的光催化性能。

        经喷雾干燥法合成的介孔二氧化硅经 SEM 和 BET 分析证实，具有均匀球形形态和较大比表面积的特征。通过湿法浸渍将 Ga₂O₃ 引入二氧化硅载体中，该过程通过 XPS 和 SEM-EDS 得到验证。吸附与光催化测试表明，GS 系列，尤其是 GS3 相较于单组分催化剂展现出更优异的降解速率。这种提升源于强染料吸附在 SiO₂ 上的协同效应与 Ga₂O₃ 中增强的电荷分离效率，该结论通过 PL 和莫特-肖特基分析得到验证。在紫外光照射下，GS3 对模型染料实现 > 96 % 的光降解率，显著优于纯 Ga₂O₃。该方法不仅降低催化剂用量，更利用 SiO₂ 载体促进吸附与光催化的协同效应，展现出广阔的光催化应用前景。综合结果表明 GS 系列具有卓越性能，为可扩展的太阳能驱动应用提供了明确潜力。

        本研究得到河南省重点科研开发计划（221111230100、231111233100）、 河南省科技发展计划项目（232102230019），济原市科技发展计划项目（23022002、24012001）以及河南省研究生教育改革与质量提升项目（YJS2024JD28）。

演示图1. Ga₂O₃-SiO₂ 复合材料的理性设计示意图，重点展示分子层面的相互作用及结构特征，这些特性共同促进了吸附性能与光催化活性的提升。

图1. （a）吸附与脱附曲线及孔径分布曲线，（b）SiO₂ 粒径分布，（c）SiO₂ SEM 图像，（d）Ga₂O₃ 与 SiO₂ 的优化几何结构及静电势分布图。

图2. （a）Ga₂O₃ 与 GS 系列样品的 XRD 衍射图谱；（b）Ga₂O₃ 的 SEM 图像、（c）GS3 的 SEM 图像及（d）GS3 局部放大图；（e）GS3 的 SEM 图像及其对应元素（f）Ga、（g）O、（h）Si 的映射图；（i–l）GS3 的 TEM 与 HR-TEM 图像，展示其形态与晶格结构。

图3. （a）Ga₂O₃ 的 XPS 普查谱及其对应的高分辨 XPS 谱：（b）Ga 3d、（c）O 1s谱，涵盖 Ga₂O₃、GS1、GS2、GS3、GS4 和 GS5 样品。

图4. （a，b）Ga₂O₃、GS1、GS2、GS3、GS4、GS5 及二氧化硅样品在紫外线照射下对 RhB 染料和（c，d）MB染料的去除曲线及光催化速率；（e）GS3 存在下 RhB 和 MB 染料降解的可重复性测试；（f）不同 Ga₂O₃ 复合材料的光催化性能比较。

图5. （a，b）基于暗吸附测定的 gs 系列样品对 rhb 染料及（c，d）mb 染料的伪一级动力学模型与伪二级动力学模型。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.165543