紡織工業被認為是向環境中排放含染料廢水的主要來源，據報道占全球染料廢水的一半以上[[1], [2], [3]]。偶氮染料廣泛應用于各種工業過程，包括紡織染色、造紙和印刷行業、食品生產、制藥、彩色攝影、皮革和化妝品領域。其中，紡織行業是偶氮染料的主要消費者。偶氮染料是使用最廣泛的合成色素類別，占全球染料總產量的60%以上[4]。據估計，工業應用中約70%的染料屬于偶氮染料[5]。尼龍、人造絲和聚酯等合成織物的發展需要開發能夠與這些材料形成強鍵的新染料[6]。
Remazol Black 5（RB5）是一種含有偶氮發色團的乙烯基磺酮類活性染料。除了對生態系統造成破壞外，RB5還對人類和其他生物體構成重大健康風險。長期持續接觸RB5會導致嚴重的健康問題，包括皮疹、膀胱癌、染色體異常、呼吸和腎功能衰竭、失明、休克、心血管衰竭和哮喘[7]。
根據《全球化學品統一分類和標簽制度》（GHS），RB5被歸類為危險化學品，在215份獨立報告中標注了H317（可能引起過敏性皮膚反應）和H334（吸入時可能引起過敏或哮喘癥狀或呼吸困難）的危害說明[8]。
負責去除持久性偶氮染料（如活性染料）的廢水處理設施往往無法達到許多國家規定的排放標準。面對日益嚴重的環境問題和日益嚴格的排放法規，迫切需要開發更高效和可持續的處理技術，以有效脫色紡織廢水[[9], [10], [11]]。
已研究了多種去除水介質中偶氮染料的方法，包括臭氧氧化[[12], [13], [14]]、電化學氧化[[15], [16], [17]]、吸附[[18,19]]、芬頓過程和生物處理[[20], [21], [22]]、膜過濾[[23], [24], [25]]，以及高級氧化工藝，如異相光催化[[26], [27], [28]]和H?O?/UV處理[[29], [30], [31]]。
光催化技術已成為降解廢水中有機污染物的有前景的方法。這種方法具有多種優勢，包括能夠利用直射陽光、適應環境條件以及高降解效率[[32], [33], [34]]。
盡管直接光解可能比結合氧化劑更具成本效益，但其效率通常有限。相比之下，異相光催化通過適當波長的光激活半導體材料，產生能夠氧化溶解有機化合物的反應物種[[35], [36], [37]]。
光催化劑的活性受多種內在材料性質的影響，包括表面積、表面特性[[38,39]]和形態[[40,41]]、粒徑[[42,43]]、帶隙能量[[44,45]]、載流子動力學[[48,49]]以及摻雜劑或表面改性的存在[[50,51]]。這些參數的精確控制很大程度上取決于所采用的合成方法[[52], [53], [54], [55]]。除了材料相關因素外，環境條件在決定光催化性能方面也起著關鍵作用；pH值、溫度、光強度和污染物濃度等參數會顯著影響整體降解效率[[56,57]]。
納米級金屬氧化物應用于醫學、能源生產和儲存、傳感器以及廢水處理等領域[[58], [59], [60], [61], [62], [63], [64]]。這些納米材料的形態對其功能性能至關重要[[65,66]]。研究人員以多種形式合成了這些材料，包括納米球、納米線、納米棒、納米梳和納米帶[[67], [68], [69], [70]]。已采用多種合成技術制備這些納米結構，如溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法、溶劑熱法、化學沉淀法和化學浴沉積法[[71,72]]。當前面臨的挑戰是合成單數字納米級的金屬氧化物納米結構，以環保、經濟且簡便的方式提高催化效率[[71,73,74]]。
在回顧的研究中，使用了多種金屬氧化物催化劑、復合材料和金屬有機框架（MOF）結構來光催化降解RB5[[75], [76], [77], [78]]。盡管實現了高降解效率，但報道的反應時間通常較長。雖然有幾項研究探討了基于TiO?的催化劑，但文獻中尚未有報道表明使用含TiO?的系統能在短時間內實現RB5的完全礦化。
在報道的研究中，S20%-TiO?和ZIF-8在1 g L?1催化劑負載量下，在120分鐘紫外光照射下對20 mg L?1 RB5溶液的降解效率分別為96%和91%[75,76]。同樣，20% TiO?:AC在105分鐘紫外光照射下對50 mg L?1 RB5的降解效率為88.3%，催化劑用量為0.8 g L?1[77]。摻鉻的TiO?在120分鐘太陽光照射下對50 mg L?1 RB5的降解效率為96.6%，催化劑用量為5.0 g L?1[78]。
相比之下，本研究中開發的基于TiO?的系統在2.0 g L?1催化劑用量下，對25 mg L?1溶液的RB5在紫外光下45分鐘內、在太陽光下30分鐘內實現了完全降解（100%）。這些結果表明，盡管多種催化劑都報道了高降解效率，但本研究中的TiO?配方在顯著縮短的反應時間內實現了完全礦化。
二氧化鈦（TiO?）是一種廣泛使用的半導體光催化劑，以其強大的光催化活性和化學穩定性而著稱。它主要有三種多晶型：銳鈦礦（anatase）、金紅石（rutile）和 Brookite[79]。銳鈦礦TiO?通常具有最高的光催化活性，其四方銳鈦礦的直接帶隙為3.29 eV[80]。TiO?因其優異的光催化活性、化學穩定性、高折射率和非毒性而受到廣泛認可[81,82]。通過各種改性策略（如金屬或非金屬摻雜、相工程（例如銳鈦礦-金紅石混合物）和復合結構的開發，可以進一步提高其光催化性能。這些改性增加了可見光吸收，減少了電子-空穴復合，從而提高了降解效率[83,84]。與其他一些金屬氧化物不同，TiO?在光催化過程中不會釋放有害離子；這一特性確保了其環境安全性，使其非常適合用于廢水處理等應用[83,85]。
在本研究中，合成了ZnO、Bi?O?、TiO?和CTAB輔助的TiO?等半導體光催化劑，以實現RB5向危害較小的中間體的完全降解或轉化。在催化劑制備過程中考慮了氧化物催化劑的合成方法、光源類型和染料溶液的pH值等因素。光催化反應在紫外光、自然陽光和可見光照射下進行，污染物濃度的變化通過UV-Vis分光光度法監測。此外，通過BET、XRD、FTIR、DRS和SEM分析全面表征了合成催化劑的光學和結構性質。
本研究通過采用環保的光催化過程，有助于實現聯合國可持續發展目標中的SDG 6（清潔水和衛生）和SDG 12（負責任的生產和消費）。
