水和空氣是人類生存的必要條件，環(huán)境污染變得日趨嚴重,，人們一直都在尋求補救措施,。工業(yè)廢物中有害的有機分子通常能在環(huán)境中長期存留和積累，一旦進入生物體內便可能損害健康,。因此,，開發(fā)高效方法來最大限度地去除污染物十分必要和迫切。面對此挑戰(zhàn),，波蘭科學院物理化學研究所的研究人員Juan Carlos Colmenares和Dimitrios A. Giannakoudakis與韓國漢陽大學Ki-Hyun Kim以及美國紐約市立大學Teresa J. Bandosz合作,，合成了一種新型納米復合材料并將其用于多種有毒化合物的降解。相關研究成果以“Scrolled titanate nanosheet composites with reduced graphite oxide for photocatalytic and adsorptive removal of toxic vapors”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2021.128907）,。

碳納米管（CNTbs）和氧化鈦納米管（TiO-NTbs）具較高的比表面積,、快速的電子轉移能力、良好的物理化學性質等優(yōu)點,，已被廣泛用作催化劑（尤其是在消除有毒蒸氣方面）,。二氧化鈦是一種光催化劑，可在紫外線甚至太陽光下降解多種化學污染物,。作者試想對TiO₂納米顆粒進行修飾,，將納米石墨烯的特性與TiO-NTbs的光反應性結合。

首先,，作者合成了TiO₂-NTbs,。1 g前體材料TiO₂與100 mL堿性水溶液（NaOH，10 M）混合,，所得混合物在超聲浴中超聲處理6 h,，超聲波使TiO₂滾動成納米管，滾動使得納米管具有獨特性能，并改善了其光催化性能,。然后,，作者將懸浮液轉移到不銹鋼高壓反應釜中，并在150 ℃水熱處理12 h,，再經(jīng)降溫,、過濾、HCl洗滌,、Milli-Q水洗滌,、干燥，鈦酸鹽納米片（H₂Ti₃O₇）滾動得到納米管TiO₂-NTbs,。接著,，作者將不同質量（分別為10.1、111.2和 250 mg）的氧化石墨烯（GO）與TiO₂ P25粉末混合加入到堿性溶液中進行耦合,。最終得到的復合納米材料稱為TiO-NTbs@GOx,，其中x表示GO的重量百分比。鈦酸鹽納米管與rGO的耦合提高了復合納米材料的光活性,，促進了該材料對空氣和水進行各種有害化學物質的凈化,。

圖1. P25和TiO-NTbs的XRD圖譜

（來源：Chemical Engineering Journal）

圖2. TiO-NTbs的TEM和HR-TEM圖像（箭頭：非滾動的二氧化鈦納米片）

（來源：Chemical Engineering Journal）

接下來，作者采用XRD,、HR-TEM,、氮氣物理吸附、熱分析(空氣或氦氣),、電位滴定,、XPS等對材料進行表征。XRD結果（圖1）表明,，與P25相比,，TiO-NTbs顯示出完全不同的結晶度，在Ti₃O₇^2-（或H₂Ti₃O₇）的2θ峰分別為9.6°,、24.5°,、28.7°和48.4°，這表明P25納米粉成功剝落為鈦酸鹽納米片,。HR-TEM結果（圖2）證實了H₂Ti₃O₇的納米管形狀,。滾動的納米片形成開放式納米管，其中一些具有輕微彎曲的結構,，每個管壁由3至6層組成,。TiO-NTbs的比表面積達到300 m²/g，約為P25的5倍以上,，TiO-NTbs@GOx的比表面積為359 m²/g,，比純TiO-NTbs高約20％,。氮氣吸附等溫線是基于IUPAC分類的II型，表明材料具有有序的介孔,，總孔容為0.872 cm³/g，尺寸為2-10 nm的孔與大于10 nm的孔的比率為0.43,。該材料的孔徑分布范圍為1.7至28 nm,，這與HR-TEM揭示的孔徑大小一致。

圖3.ViV蒸氣吸附系統(tǒng)示意圖

（來源：Chemical Engineering Journal）

作者在ViV蒸氣吸附系統(tǒng)中探究了TiO-NTbs@GOx對芥子氣模擬劑CEES蒸汽的吸附和光催化排毒效率（圖3）,。該材料在黑暗或可見光條件下對CEES表現(xiàn)出較高的吸附性能,，吸附容量大于600 mg/g，顯著高于其它預成型良好的納米材料,。有毒蒸汽在TiO-NTbs@GOx表面被解毒,，形成低毒分子或無毒分子。因此,，該材料是一種極具前途的水和空氣凈化材料,。