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• 1.   引言

  TiO₂是一种高效光催化剂，具有廉价、化学性质稳定、毒性小、绿色环保等优点，已在环境清洁和修复等领域得到了广泛应用。在光催化降解反应中，活性氧的产生类型及其作用一直是污染物降解转化的基础和关键问题。TiO₂光催化反应中生成的活性氧主要有羟基自由基(·OH)、超氧阴离子自由基(O₂^·－)和过氧化氢(H₂O₂)3种。其中，O₂^·－是一种重要的活性氧物种，当氧气分子吸附到被光激发的处于还原态TiO₂表面后，氧气得到一个电子生成O₂^·－。O₂^·－的生成抑制了电子-空穴的复合，从而提高了光催化反应的量子产率；氧气得电子反应速率较低，是光催化过反应过程中限速步骤^[1]，因此，O₂^·－的生成在光催化反应中起着关键作用。另一方面，由于活性氧自由基的反应活性强、寿命短，一些研究者认为短寿命活性氧自由基在污染物的光降解矿化及抗菌过程中直接参与了反应^{[2, 3]}。但是TiO₂光催化反应是非均相反应，产生的O₂^·－可能会以吸附于颗粒物表面或游离溶液中两种形式存在。因此，研究O₂^·－的生成及其存在形式有助于加深对光催化作用机制的认识和理解，进而为提高光催化效率提供指导思路和理论依据。

  有关TiO₂光催化反应中生成O₂^·－检测方法已有很多报道，包括电子自旋共振(ESR)^{[4, 5]}、电化学法^{[6, 7]}、分光光度法^[8~10]、荧光法^[11]等，这些方法需要特异性探针进行捕获，然后分离检测，整个过程仅仅提供了O₂^·－是否生成及其产生的量等信息，但对其存在形式，例如生成的O₂^·－是存在于TiO₂纳米颗粒表面还是游离在溶液中等获取的信息还比较少。仅见几篇关于O₂^·－可能吸附在TiO₂表面的报道，如Attwood等^[12]通过EPR光谱证实在真空条件下光激发TiO₂产生的O₂^·－吸附在表面，并且在室温条件下O₂^·－可以在完全脱水的TiO₂表面稳定存在数天。Nakamura等^[13]利用原位红外光谱技术发现了TiO₂胶体中表面过氧物种的存在(Ti(O₂))，可以在黑暗条件下存在数十分钟。Nosaka研究组^{[14, 15]}利用化学发光技术研究了TiO₂光催化溶液中O₂^·－的生成，并从衰减曲线入手，分析O₂^·－地衰减过程和途径，推测O₂^·－部分有可能存在于TiO₂表面。但这些研究均未直接检测到TiO₂胶体溶液中表面O₂^·－，更缺乏表面O₂^·－占其总O₂^·－的比例及其存在形态的信息。另外，对于自由基对污染物降解转化作用的研究，通常是光催化剂与化学物质先混合，然后给予混合溶液紫外光照，由此测定其光催化降解活性。因而，无法确定光催化产生的O₂^·－的过程是与纳米颗粒表面结合或扩散到溶液中，也无法确定表面吸附O₂^·－的产生量及TiO₂光催化反应中产生O₂^·－的存在形态。

  本研究选用硝基四氮唑蓝(NBT)作为探针，NBT在O₂^·－作用下，得到电子还原生成不溶于水的蓝色甲臜，最大吸收峰出现在680 nm。当NBT过量时，体系中只生成单甲臜，且其生成量与O₂^·－生成量呈线性相关。基于此，采用传统方法研究NBT与TiO₂混合后光照，TiO₂光反应过程中产生总O₂^·－及其在NBT转化中的作用；采用连续流动-分光光度法，将TiO₂光照后，再与NBT混合，研究TiO₂光反应过程中表面吸附O₂^·－的产生量及其在NBT转化中的作用；并进一步考察了3种商业化不同晶相TiO₂光催化反应中生成的O₂^·－及其形态分布。

  2.   实验部分

  2.1   仪器与试剂

  500 W氙灯光源、365 nm截止滤光片(畅拓科技有限公司)；蠕动泵、聚四氟乙烯管(保定兰格恒流泵有限公司)；Agilent 8453-紫外可见分光光度计(美国Santa Clara公司)。

  3种商品化的TiO₂纳米颗粒(锐钛矿、金红石、P25)、氯化硝基四氮唑蓝(NBT)(美国西格玛公司)；二甲基亚砜、乙二胺四乙酸、NaN₃、KOH、NaOH(国药集团化工试剂有限公司)。所用试剂均为分析纯，实验用水为超纯水(美国Millipore公司超纯水系统制备)。

  2.2   TiO₂光催化反应中总O₂^·－的产生

  取1 mL NBT(60 μmol/L)加入到100 mL TiO₂悬浮液(100 mg/L，pH=11)中，打开光源(见图 1A)。在不同时间点取出1 mL样品进行离心分离(12000 r/min, 30 min)，弃去上清液，得到蓝色沉淀；加入45% 2 mol/L KOH和55% DMSO的混合液溶解甲臜，离心(12000 r/min, 30 min)，沉淀为TiO₂颗粒，检测上清液中的还原性产物在680 nm处的吸光度。

  图 1

  

  图 1.  总O₂^·－和表面吸附O₂^·－检测示意图：(A)总O₂^·－；(B)表面吸附O₂^·－

  Figure 1.  Diagram for detection of total O₂^·－and surface-adsorbed O₂^·－: (A) total O₂^·－, (B) surface-adsorbed O₂^·－

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  2.3   TiO₂光催化反应中表面吸附O₂^·－的产生

  将TiO₂悬浮液(100 mg/L, pH=11)和NBT溶液(60 μmol/L)分别置于两个容器中，在蠕动泵的推动下两者通过聚乙烯管混合，从光反应器到混合处约需10 s(图 1B)。打开光源后，光反应器中的TiO₂产生O₂^·－，经管路输送，与NBT混合，混合液中TiO₂表面吸附的O₂^·－会与NBT反应，生成还原性产物。在不同时间点取出1 mL混合样品进行离心分离(12000 r/min, 30 min)，弃去上清液，得到蓝色沉淀；加入45% 2 mol/L KOH和55% DMSO的混合液溶解甲臜，再次离心(12000 r/min, 30 min)，TiO₂颗粒沉淀，测定上清液中的还原性产物在680 nm处的吸光度。

  2.4   NBT分光光度法对O₂^·－特异性检测

  将NBT (60 μmol/L)与TiO₂(100 mg/L, pH=11)混合溶液中，分别加入超氧化物歧化酶(SOD)(5 μmol/L，O₂^·－猝灭剂)^[16]、EDTA(1 μmol/L, h⁺猝灭剂)^[17]、异丙醇(0.1 mmol/L, ·OH猝灭剂)^[18]、NaN₃(1 μmol/L, ¹O₂猝灭剂)^[19]。打开光源，在不同时间点取出1 mL样品离心分离(12000 r/min, 30 min)，弃去上清液，得到蓝色沉淀；加入45% 2 mol/L KOH和55% DMSO的混合液溶解甲臜，离心(12000 r/min, 30 min)，检测上清液中的还原性产物在680 nm处的吸光度。

  3.   结果与讨论

  3.1   分光光度法检测TiO₂光催化反应中O₂^·－

  检测O₂^·－的方法很多，其中分光光度法具有设备简单、操作简便等特点，用于O₂^·－检测更具实用性。目前，有关分光光度法检测O₂^·－的技术主要有过硫酸铵-四甲基乙二胺(AP-TEMED)羟胺氧化法、邻苯三酚自氧化法、NBT化学还原法等。羟胺氧化法线性相关性较差；邻苯三酚自氧化过程产物复杂，测定结果受外界环境影响。而NBT是一种O₂^·－特异性探针，它在O₂^·－作用下，得到电子还原生成不溶于水的蓝色甲臜。彩在碱性溶液中，单甲臜的吸光系数大于10⁴，灵敏度高^[20]，目前在生化领域已经得到广泛应用。因此，本研究选择NBT作为探针，检测TiO₂光催化反应中生成的O₂^·－。

  NBT与O₂^·－反应中，当NBT过量时，体系中只生成单甲臜；当O₂^·－过量时，NBT先被还原生成单甲臜，单甲臜继续被还原生成二甲臜。二甲臜的两个四氮唑环均被还原，而单甲臜只有一个四氮唑环被还原；因此，单甲臜的生成量与O₂^·－生成量呈线性相关^{[21, 22]}。王大彬等^[23]选择过量NBT作为检测探针。根据前期研究结果，TiO₂光催化反应中生成的O₂^·－量约为nmol/L级，因此，首先选择了3个μmol/L级浓度的NBT，利用传统的方法(图 1A)，研究了NBT浓度对锐钛矿TiO₂光催化反应中总O₂^·－检测的影响。结果如图 2A所示，随着光照时间延长，锐钛矿TiO₂溶液中生成的O₂^·－增多，NBT被还原为甲臜的吸光度在逐渐升高。此外，当NBT浓度低于60 μmol/L时，其吸光度随着NBT浓度的增加而增加；而浓度高于60 μmol/L时, 甲瓒的生成量基本保持不变。因此，本研究选择60 μmol/L NBT作为探针检测锐钛矿TiO₂光催化反应中生成O₂^·－。在此浓度下，研究O₂^·－产生与NBT还原产物甲臜的相关性, 如图 2B所示，随着O₂^·－浓度提高，吸光度增强，说明甲臜生成量越多。对响应信号进行线性回归，其方程为y=0.001x+0.243，相关系数R²为0.935。

  图 2

  

  图 2.  (A) NBT浓度对锐钛矿TiO₂光催化反应中O₂^·－检测影响; (B) O₂^·－产生与NBT转化相关性

  Figure 2.  (A) Effect of nitroblue tetrazolium (NBT) concentration on O₂^·－detection in TiO₂ photocatalytic reaction; (B) Relationship between total O₂^·－generation and NBT transform

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  3.2   TiO₂光催化反应中表面O₂^·－研究

  TiO₂光催化反应是异相反应，当体系中含有TiO₂纳米颗粒时，根据文献[12, 13]报道，自由基如果吸附在颗粒物表面会更加稳定，并持久存在，其在光催化反应中可能更为重要。为了确定TiO₂光催化反应中是否会有表面O₂^·－的产生和存在，本研究设计了连续流动-分光光度法体系，将光照后的TiO₂悬浮液延迟一段时间后，再与NBT混合(图 1B)，排除游离在溶液中的短寿命O₂^·－的干扰，研究产生的吸附在TiO₂表面O₂^·－。如图 3所示，随着光照时间延长，NBT转化还原产物甲臜的吸光度增加，当光照20 min后，NBT转化趋于平稳，这与利用连续流动化学发光法检测O₂^·－的动态产生趋于一致^[24]，说明TiO₂表面可能存在O₂^·－，但与产生总O₂^·－诱导的NBT转化吸光度比较，其响应信号较低，约为41.6%，说明TiO₂表面自由基对NBT的转化效率占总O₂^·－的41.6%。

  图 3

  

  图 3.  不同光照时间下，锐钛矿TiO₂表面O₂^·－产生与其NBT转化产物吸光度响应曲线

  Figure 3.  Relationship between generation of surface-adsorbed O₂^·－ and NBT transform with different illumination time

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  为了进一步验证本方法测试的信号来源于表面吸附O₂^·－而非溶液中的O₂^·－的信号，将光照后的TiO₂悬浮液尽快过滤，然后将滤液与NBT混合，检测其转化产物的吸光度。结果并未发现产生的吸收信号，因此可以认为本方法检测的信号主要来源于表面吸附O₂^·－。

  3.3   NBT分光光度法对O₂^·－检测特异性研究

  考察了NBT分光光度法对O₂^·－特异性检测，向TiO₂-NBT体系中分别加入特异性自由基猝灭剂如O₂^·－猝灭剂SOD、·OH猝灭剂异丙醇、空穴(h⁺)猝灭剂EDTA及单线态氧(¹O₂)猝灭剂NaN₃，研究其对NBT还原产物甲臜吸光度的影响。如图 4所示，只有SOD使得体系的吸光度减小，且基本降低到基线，而异丙醇、EDTA和NaN₃对其信号响应基本无影响，表明NBT作为捕获剂对O₂^·－具有很好的选择性。

  图 4

  

  图 4.  自由基猝灭剂对NBT检测O₂^·－的影响：(A)O₂^·－猝灭剂，SOD；(B)·OH猝灭剂，异丙醇；(C)¹O₂猝灭剂，NaN₃；(D)空穴猝灭剂，EDTA。锐态矿TiO₂: 100 mg/L, NBT: 60 μmol/

  Figure 4.  Effect of radical scavenging on the absorbance of transform product of NBT induced by photogenerated O₂^·－: (A) superoxide dismutase (SOD), (B) isopropanol, (C) NaN₃, (D) EDTA. Rutile: 100 mg/L, NBT: 60 μmol/L

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  3.4   3种不同晶相TiO₂产生O₂^·－的形态分布研究

  在纳米半导体光催化反应中，O₂^·－自由基的产生与晶相密切相关。本研究选择了3种商品化的不同晶相的TiO₂(即锐钛矿、金红石和P25)作为模型，以NBT转化产物的吸光度代表O₂^·－的产生量，初步研究其总O₂^·－和表面O₂^·－的产生及其分布情况。对于3种晶相的TiO₂，随着光照时间延长，总O₂^·－生成量都不断增大，且增大速度逐渐趋于平缓。按照总O₂^·－生成量排序，依次为P25>锐钛矿>金红石；而表面吸附的O₂^·－的量也随着光照时间延长而逐渐增大，但光照时间30 min时，3种TiO₂生成的表面O₂^·－的量相差不大，这与前期采用连续流动化学发光法^[24]的检测结果基本一致。但锐钛矿表面吸附O₂^·－略高，这可能与其表面积较大有关(图 5)。另外，考察了3种材料的比表面积及其相关物理化学性质(表 1)，初步推断总O₂^·－的产生可能会受粒径影响，但与TiO₂比表面积及水合半径均无直接相关性，与文献[25]报道相符；而表面吸附O₂^·－的产生可能与TiO₂的粒径及比表面积有关，这可进一步扩展到多种不同粒径和比表面积的纳米TiO₂研究。

  图 5

  

  图 5.  3种不同晶相TiO₂总O₂^·－和表面吸附O₂^·－的生成比较

  Figure 5.  Production of total O₂^·－ and surface-adsorbed O₂^·－ on three different crystal TiO₂ suspensions

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  表 1

  

  表 1  3种不同晶相TiO₂的性质

  Table 1.  Properties of TiO₂ used in this study

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  TiO2类型 Type of TiO2	锐钛矿成分 Anatase component (%)	金红石成分 Rutile component (%)	表面积 BET surface area (m2/g)	粒径 Particle size (nm)	平均水合半径 Average hydrodynamic radius(Rh) (nm)
  P25	80	20	48.77	20	461.2
  Anatase	100	0	82.16	20	617.5
  Rutile	0	100%	26.18	50	305.3

  4.   结论

  本研究以NBT为O₂^·－的捕获剂，采用两种方案测定了TiO₂光催化反应中生成的总O₂^·－和表面吸附O₂^·－，验证了NBT对O₂^·－的选择性。以此为基础，研究了3种晶相的TiO₂(锐钛矿、金红石、P25)光催化反应中总O₂^·－和表面吸附O₂^·－的生成。吸附在颗粒物表面ROS的产生和分布，由于其可能的稳定存在性，有助于光催化污染物降解和微生物消毒。

  
  
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  图 1  总O₂^·－和表面吸附O₂^·－检测示意图：(A)总O₂^·－；(B)表面吸附O₂^·－

  Figure 1  Diagram for detection of total O₂^·－and surface-adsorbed O₂^·－: (A) total O₂^·－, (B) surface-adsorbed O₂^·－

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  图 2  (A) NBT浓度对锐钛矿TiO₂光催化反应中O₂^·－检测影响; (B) O₂^·－产生与NBT转化相关性

  Figure 2  (A) Effect of nitroblue tetrazolium (NBT) concentration on O₂^·－detection in TiO₂ photocatalytic reaction; (B) Relationship between total O₂^·－generation and NBT transform

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  图 3  不同光照时间下，锐钛矿TiO₂表面O₂^·－产生与其NBT转化产物吸光度响应曲线

  Figure 3  Relationship between generation of surface-adsorbed O₂^·－ and NBT transform with different illumination time

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  图 4  自由基猝灭剂对NBT检测O₂^·－的影响：(A)O₂^·－猝灭剂，SOD；(B)·OH猝灭剂，异丙醇；(C)¹O₂猝灭剂，NaN₃；(D)空穴猝灭剂，EDTA。锐态矿TiO₂: 100 mg/L, NBT: 60 μmol/

  Figure 4  Effect of radical scavenging on the absorbance of transform product of NBT induced by photogenerated O₂^·－: (A) superoxide dismutase (SOD), (B) isopropanol, (C) NaN₃, (D) EDTA. Rutile: 100 mg/L, NBT: 60 μmol/L

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  图 5  3种不同晶相TiO₂总O₂^·－和表面吸附O₂^·－的生成比较

  Figure 5  Production of total O₂^·－ and surface-adsorbed O₂^·－ on three different crystal TiO₂ suspensions

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  表 1  3种不同晶相TiO₂的性质

  Table 1.  Properties of TiO₂ used in this study

  TiO2类型 Type of TiO2	锐钛矿成分 Anatase component (%)	金红石成分 Rutile component (%)	表面积 BET surface area (m2/g)	粒径 Particle size (nm)	平均水合半径 Average hydrodynamic radius(Rh) (nm)
  P25	80	20	48.77	20	461.2
  Anatase	100	0	82.16	20	617.5
  Rutile	0	100%	26.18	50	305.3

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