制备掺杂稀土元素钆（Gd）和铈（Ce）的多铁性BiFeO?材料，用于光催化降解布洛芬

《Results in Chemistry》：Fabrication of rare earth Gd and Ce modified multiferroic BiFeO 3 for photocatalytic degradation of ibuprofen

本研究采用溶胶-凝胶法制备了镧（Gd）和铈（Ce）共掺杂的BiFeO3光催化剂，通过XRD、FTIR、SEM-EDS和VSM等手段表征了材料结构及磁性。结果表明，10% Ce掺杂的BiFeO3在pH2、催化剂质量0.1g、光照30分钟时表现出最佳光催化性能，紫外光下降解率达65.44%，可见光下为57.44%，优于其他掺杂比例及纯BiFeO3。Ce掺杂通过优化能带结构和增强电荷分离有效提升了催化效率，为处理制药废水提供了新策略。

　　本研究聚焦于一种半导体基的光催化降解技术，旨在解决制药废水中的污染物问题。其中，重点分析了伊布普罗芬（Ibuprofen）作为非甾体抗炎药（NSAID）在制药废水中的存在及其对环境的影响。伊布普罗芬因其广泛使用和难以降解的特性，已成为水体中常见的污染物之一，对生态环境和人类健康构成潜在威胁。因此，寻找高效且可持续的降解方法显得尤为重要。光催化作为一种环境友好型技术，因其能够利用太阳能、实现有机污染物的完全矿化、成本低廉以及可在常温下进行等优点，受到了越来越多的关注。

研究中采用了掺杂钆（Gd）和铈（Ce）的多铁性材料BiFeO?作为光催化剂。BiFeO?是一种具有多铁性特性的半导体材料，其不仅具备铁电性，还具有铁磁性，这种复合特性使其在光催化反应中表现出独特的性能。然而，纯BiFeO?的光催化活性较低，主要受限于其载流子迁移率不足以及电子-空穴对的快速复合，导致光催化效率不高。为解决这一问题，研究者通过引入稀土元素进行掺杂，期望能够改善BiFeO?的晶体结构，增强其对光的吸收能力，从而提高光催化效率。

实验中采用溶胶-凝胶法合成纯BiFeO?及其Gd和Ce掺杂样品。通过X射线衍射（XRD）分析确认了不同掺杂样品的晶体结构，发现掺杂后形成了新的衍射峰，表明Gd和Ce成功地融入了BiFeO?的晶格结构中。此外，XRD分析还提供了不同样品的晶粒尺寸和结晶度数据，其中10% Ce掺杂样品的晶粒尺寸减小，结晶度和微应变值增加，而20% Ce掺杂样品的晶粒尺寸反而增大，结晶度和微应变值降低。这些变化可能与掺杂元素对晶格结构的影响有关，进而影响材料的光催化性能。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，进一步确认了BiFeO?及其掺杂样品中特定的化学键，如Bi-O、Fe-O、Gd-O和Ce-O等。这些键的存在表明材料的成功合成，并且掺杂过程对材料的化学结构产生了显著影响。此外，X射线荧光光谱（XRF）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）的结果也显示了掺杂元素在材料中的分布情况，进一步验证了Gd和Ce在BiFeO?中成功掺杂。

磁性分析显示，BiFeO?及其掺杂样品均表现出铁磁性，但掺杂后饱和磁化强度（Ms）有所下降。这一现象可能与掺杂元素对磁性行为的干扰有关，尤其是Gd和Ce的引入改变了材料的磁性特性。然而，Ce掺杂样品在20%掺杂浓度下表现出更高的磁化值，这可能与其在材料中形成更稳定的结构有关。

光学性能分析方面，通过紫外-可见光谱（UV-Vis）研究了BiFeO?及其掺杂样品的带隙能量。结果表明，掺杂Gd和Ce均能有效降低BiFeO?的带隙，使其在可见光范围内具备更强的光响应能力。这一特性使得材料在可见光条件下的光催化活性提升，从而拓宽了其应用范围。在光催化实验中，不同条件下的降解效果被评估，其中最佳条件为pH 2、催化剂质量为0.1 g、光照时间为30分钟。在这些条件下，10% Ce掺杂的BiFeO?表现出最佳的光催化性能，其在紫外光下的降解率达到65.44%，在可见光下的降解率为57.44%。相比之下，其他类型的光催化剂在降解伊布普罗芬方面的效果并不理想。

光催化降解机制方面，研究者提出了一种可能的反应路径。当BiFeO?催化剂在紫外光照射下时，其价带中的电子被激发到导带，形成空穴。这些电子和空穴分别与水分子和氧气反应，生成羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O??）。这些自由基进一步参与伊布普罗芬的降解反应，最终将其矿化为二氧化碳和水。该过程不仅依赖于催化剂的物理化学性质，还受到溶液pH值、催化剂用量以及光照时间等因素的影响。

此外，研究还探讨了不同掺杂浓度对光催化性能的影响。结果表明，虽然10% Ce掺杂的BiFeO?表现出最佳的降解效果，但20% Ce掺杂的样品在降解效率上有所下降。这可能是由于高浓度的掺杂元素在催化剂表面聚集，影响了光的穿透能力，进而降低了自由基的生成效率。因此，10%的掺杂浓度被认为是较为理想的参数。

从整体来看，Ce掺杂的BiFeO?在光催化降解伊布普罗芬方面表现出更优异的性能，尤其是在紫外和可见光条件下。这一结果不仅验证了Ce作为掺杂元素的有效性，还为开发新型光催化剂提供了理论依据和实验支持。与传统的光催化剂如TiO?和ZnO相比，Ce掺杂的BiFeO?具有更宽的光响应范围和更高的降解效率，因此在处理制药废水方面具有较大的应用潜力。

研究还指出，BiFeO?的多铁性特性使其在光催化过程中能够有效促进电荷分离，降低电子-空穴对的复合速率，从而提高光催化效率。这种特性使得BiFeO?成为一种有前景的光催化剂材料，特别是在处理有机污染物方面。此外，光催化技术的环境友好性和可持续性使其成为当前废水处理研究的热点之一。

综上所述，本研究通过掺杂Gd和Ce，成功改进了BiFeO?的光催化性能，使其在紫外和可见光条件下均表现出良好的降解能力。这些发现不仅有助于理解稀土元素对BiFeO?光催化性能的影响，也为制药废水的处理提供了新的思路和技术方案。未来，进一步优化掺杂比例和结构设计，可能有助于提升BiFeO?在光催化领域的应用价值。