可通过磁力回收的生物源CuFe?O?纳米颗粒，用于有机染料的可持续催化降解

《Journal of Water Process Engineering》：Magnetically recoverable biogenic CuFe 2O 4 nanoparticles for sustainable catalytic degradation of organic dyes

水污染治理需求推动磁性CuFe?O?纳米催化剂绿色合成研究，采用土耳其莓提取物成功制备具有高效催化和磁回收特性的纳米材料，实现染料快速降解并验证循环稳定性。

　　工业废水污染已成为全球性的重要问题，尤其在当今工业化迅速发展的背景下，对可持续、高效且环保的处理方法需求日益迫切。合成染料的年产量高达7000万吨，其中约有10%至50%在染色过程中流失，导致每年约28万吨的染料废物进入废水系统。纺织行业作为工业废水污染的主要来源之一，贡献了约20%的全球工业水污染，排放的废水中含有大量染料。这些染料和重金属污染物对环境和人类健康构成了严重威胁，而传统的处理技术，如混凝、膜过滤和生物氧化等，往往难以有效去除这些持久性污染物，同时其高能耗和成本限制了其在工业应用中的推广。

面对这一挑战，研究者们开始探索新型的可持续处理方法，其中纳米技术因其独特的物理和化学性质展现出巨大的潜力。纳米材料由于具有较大的比表面积和可调控的化学结构，能够增强吸附能力、催化降解效率以及氧化还原活性。然而，贵金属纳米颗粒（如金、银、铂）虽然在催化还原有害有机污染物方面表现出色，但其高昂的成本和回收利用困难限制了其在工业上的广泛应用。因此，研究者们将目光转向了其他类型的纳米材料，如尖晶石型铁氧体纳米颗粒，如铜铁氧体（CuFe?O?）、镍铁氧体（NiFe?O?）、钴铁氧体（CoFe?O?）和锌铁氧体（ZnFe?O?）等。这些材料具有立方尖晶石结构，其中二价和三价金属离子分别占据四面体和八面体位点，表现出良好的磁性、氧化还原活性、化学稳定性和成本效益，使其成为废水治理的理想候选材料。

铜铁氧体（CuFe?O?）在纳米尺度下展现出更强的表面活性和对污染物的有效作用，这使得其在降解工业废水中的应用前景广阔。此外，其磁性特征使其可以通过外部磁场实现简便的分离和重复使用，这对于工业规模的应用具有重要意义。然而，传统方法合成的CuFe?O?纳米颗粒通常需要使用有毒溶剂、高温和高能耗的条件，这引发了环境和安全方面的担忧。因此，研究者们开始转向绿色合成技术，这些技术利用富含天然还原剂和稳定剂的植物提取物，以减少有害试剂的使用，降低能耗，并促进可再生资源的应用。

在这一背景下，研究者们选择使用一种相对较少被研究的植物——土耳其莓（*Solanum torvum*）的提取物，用于绿色合成磁性可回收的CuFe?O?纳米颗粒。这种植物富含多种生物分子，如黄酮类化合物（如槲皮素、山柰酚衍生物）、生物碱（如溶asodine、jurubine）和多酚类物质（如咖啡酸、没食子酸），这些物质在纳米颗粒合成过程中可以协同作用，作为还原剂、稳定剂和表面修饰剂。这不仅有助于形成分散均匀且尺寸可控的纳米颗粒，还可能提高合成材料的催化活性。此外，植物提取物合成方法相对成本低廉且操作简便，使其成为传统还原剂的潜在替代方案。

本研究中，使用*Solanium torvum*提取物合成的CuFe?O?纳米颗粒在催化降解有害染料方面表现出卓越的性能。实验结果显示，在使用氢硼化钠（NaBH?）辅助还原的情况下，这些纳米颗粒在5分钟内实现了对亚甲基蓝（MB）的99.93%降解，在3分钟内实现了对刚果红（CR）的99.87%降解。此外，纳米颗粒还表现出良好的磁性回收和重复使用能力，即使经过六次连续循环后，其对CR和MB的降解效率仍分别保持在85.8%和82.6%。这些结果表明，CuFe?O?纳米颗粒在实际应用中具有高度的稳定性和可行性。

为了进一步验证催化剂的实际应用效果，本研究还进行了降解实验。在中性pH条件下，催化剂在9分钟内实现了对二元MB–CR混合体系的完全去除，而在3分钟内便能够快速去除真实的纺织废水。这些实验结果表明，CuFe?O?纳米颗粒在操作条件下的性能保持一致且高效。通过将绿色合成技术与先进的催化功能相结合，本研究提供了一种可持续的解决方案，用于处理来自工业源的染料废水。

为了深入理解CuFe?O?纳米颗粒的结构和化学特性，本研究进行了系统的表征分析。包括X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等多种技术。这些表征手段确认了合成纳米颗粒的晶体结构为立方尖晶石结构，并且具有良好的结晶度和形态特征。FTIR分析显示，*Solanum torvum*提取物中存在明显的羟基（–OH）和羰基（C=O）振动峰，分别位于3280 cm?1和1639 cm?1。而在合成的CuFe?O?纳米颗粒中，出现了强的峰位于590 cm?1和424 cm?1，这些峰对应于材料的固有特性。XRD图谱进一步证实了纳米颗粒的尖晶石结构在多次使用后依然保持完整，表明其在重复应用过程中的结构稳定性。

为了探讨CuFe?O?纳米颗粒在降解染料过程中的作用机制，本研究提出了一个基于表面介导电子转移的模型。根据文献报道，CuFe?O?纳米颗粒在催化还原染料时主要通过表面电子转移实现。作为高效的氧化还原催化剂，CuFe?O?纳米颗粒能够促进电子从NaBH?向各种染料受体的高效转移。在催化框架中，NaBH?的加入启动了还原过程，而CuFe?O?纳米颗粒则作为催化剂，通过其表面特性促进电子转移。这一机制不仅提高了催化效率，还增强了对污染物的降解能力。

为了验证催化反应中电子转移的重要性，本研究进行了电子捕获实验。实验结果显示，在没有电子捕获剂的情况下，MB和CR的降解效率分别达到了99.97%和99.71%。然而，当加入电子捕获剂（如K?S?O?）后，降解效率显著下降，表明电子转移在催化反应中起着关键作用。这进一步支持了CuFe?O?纳米颗粒在催化降解过程中通过表面介导电子转移的机制。

为了评估CuFe?O?纳米颗粒在实际废水处理中的应用效果，本研究进行了实时应用研究。实验结果显示，CuFe?O?纳米颗粒在处理真实纺织废水时表现出优异的性能，能够在短时间内有效去除染料污染物。这表明，该催化剂在实际操作条件下的性能稳定且高效，为未来的规模化应用提供了科学依据。

此外，为了探讨CuFe?O?纳米颗粒在多次使用后的稳定性，本研究进行了重复使用实验。实验结果显示，经过六次连续循环后，CuFe?O?纳米颗粒依然能够保持较高的催化活性，这表明其具有良好的稳定性和可重复使用性。这一特性对于工业废水处理尤为重要，因为催化剂的稳定性和可重复使用性直接关系到处理过程的经济性和可持续性。

在研究过程中，作者们利用了生成式人工智能（如ChatGPT）来提升论文的清晰度、简洁性和语法正确性。在使用该工具后，作者们对内容进行了全面的审查和编辑，以确保其准确性和原创性，并使其与研究的科学信息相一致。作者们对论文内容负有全部责任。

本研究的资金支持为零，所有实验材料和设备均来自作者所在机构。研究者们声明，他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，以确保研究的客观性和公正性。此外，作者们特别感谢SRMIST（SRM Institute of Science and Technology）提供的仪器和研究设施，包括纳米技术研究中心（NRC, SRMIST）和材料表征设施，这些设施为本研究的顺利进行提供了重要支持。同时，作者们还感谢项目编号SRG/2023/000970，该项目用于购买用于化学研究的紫外-可见分光光度计，为实验数据的获取提供了保障。

综上所述，本研究通过使用*Solanium torvum*提取物成功实现了磁性可回收的CuFe?O?纳米颗粒的绿色合成。这些纳米颗粒在催化降解有害染料方面表现出卓越的性能，具有良好的磁性回收和重复使用能力，为工业废水处理提供了一种可持续、高效且环保的解决方案。通过将绿色合成技术与先进的催化功能相结合，本研究不仅推动了纳米材料在环境治理中的应用，还为未来开发更多绿色催化剂提供了新的思路和方法。