掺铁(II)的纳米TiO?与掺镁的碳量子点结合，作为高效的光芬顿催化剂，在多种光照条件下可有效降解多种水污染物

《Applied Surface Science》：Fe(II)-doped nano-TiO 2 conjugated with Mg-doped carbon quantum dots as efficient photo-Fenton catalyst for the degradation of multiple water pollutants under diverse light conditions

Fe-nTiO?/MgCQD异质结催化剂通过铁掺杂降低二氧化钛带隙至3 eV，结合镁掺杂量子点实现紫外可见光响应，并保持Fenton活性，在模拟污水（COD≈970 mg/L）中8小时可见光降解率达100%，证实羟基自由基主导降解机制。

　　近年来，随着工业的快速发展，水体污染问题日益严重。由于许多工业活动缺乏有效的废弃物管理机制，污染物的排放量大幅增加，对水环境和人类健康造成了极大的威胁。这些污染物主要来源于纺织、造纸、制药、皮革、油漆和水泥等行业，其中，纺织业的偶氮染料和酚类化合物因其高度毒性而备受关注。它们不仅难以降解，还可能对人体神经系统和致癌性产生严重影响。因此，开发高效、低成本的水体污染物去除方法成为当前研究的重点。

传统的污染物去除技术包括沉淀、过滤、蒸馏、生物修复、氯化、吸附和磁分离等。尽管这些方法在一定程度上能够解决污染问题，但它们往往伴随着高昂的成本、耗时长以及能源消耗大等缺点。例如，沉淀和过滤虽然操作简便，但难以去除溶解性较强的污染物；生物修复虽然环保，但对污染物种类和环境条件有较高要求；吸附技术依赖于特定的吸附材料，且在长期使用中可能产生二次污染。因此，为了克服这些局限，近年来人们开始关注基于光催化氧化的先进技术，尤其是利用半导体材料进行污染物的降解。

光催化氧化技术通过半导体材料在光照条件下产生电子-空穴对，进而生成高活性的自由基，从而实现对污染物的高效降解。其中，氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO?）是最常见的光催化剂，它们在水处理领域得到了广泛研究和应用。然而，这两种材料存在一些明显的不足，例如它们的禁带宽度较大，导致只能在紫外光（UV）照射下发生反应，而紫外光在自然界中的占比不足5%。此外，电子-空穴对的快速复合也限制了其光催化效率，使得降解过程缓慢且不完全。

为了改善这些问题，研究人员开始探索异质结光催化剂，通过将两种不同的半导体纳米结构结合，以增强电子-空穴对的分离和迁移效率。异质结催化剂不仅可以延长光生载流子的寿命，还能有效降低材料的禁带宽度，从而拓宽其光响应范围。例如，TiO?与MgO、CuO或CdSe等材料的复合已被广泛研究，这些异质结结构在提升光催化性能方面表现突出。然而，这些研究大多集中在单一半导体材料的改性，缺乏对复合体系的系统性探索，尤其是在可见光和紫外光下同时具备高效催化性能的材料。

近年来，碳量子点（CQD）因其独特的光学、电化学和表面性质而受到广泛关注。CQD是一种纳米尺度的碳基材料，具有较低的毒性、较高的光稳定性以及易于合成的优点。更重要的是，CQD的带隙较窄，能够在可见光范围内产生光响应，从而拓宽了光催化材料的应用范围。此外，CQD还具有良好的生物相容性，使得其在环境治理和生物医学领域的应用前景广阔。因此，将CQD与传统的半导体材料结合，成为提升光催化性能的一个重要研究方向。

在这一背景下，研究人员尝试将CQD与Fe掺杂的TiO?（Fe-nTiO?）结合，以构建一种新型的光催化材料。Fe掺杂能够有效降低TiO?的带隙，使其在可见光下也能产生电子-空穴对，同时引入具有Fenton反应活性的还原中心，从而在有双氧水（H?O?）存在的条件下实现高效的氧化降解。而Mg掺杂的CQD（MgCQD）则进一步优化了材料的光电性能，使其在可见光和紫外光下都能有效激发，同时减少电子-空穴对的复合速率，提高光催化效率。

为了验证这种新型催化剂的性能，研究团队对其进行了系统的表征和测试。通过高分辨率透射电镜（HRTEM）等手段，可以观察到Fe-nTiO?和MgCQD的微观结构，以及它们之间的结合方式。结果显示，Fe-nTiO?的平均粒径约为6纳米，而MgCQD的平均粒径约为4纳米。这种尺寸的匹配不仅有利于材料的结合，还能增强电子转移效率。此外，通过分析材料的晶格间距，可以进一步确认其结构特征，为后续性能评估提供依据。

在实际应用测试中，该催化剂被用于降解多种工业污染物，包括甲基蓝（MB）、刚果红（CR）、罗丹明B（RhB）、溴酚蓝（BPh）和甲苯等。实验结果表明，在可见光和紫外光照射下，该催化剂能够高效去除这些污染物，且在黑暗条件下也能表现出一定的降解能力。这得益于Fe-nTiO?和MgCQD之间的协同作用，其中Fe掺杂不仅降低了材料的带隙，还增强了Fenton反应的活性，而Mg掺杂则优化了CQD的光电性能，使其在多种光照条件下都能有效激发。

值得注意的是，该催化剂在模拟实验室条件下的污泥处理中也表现出优异的性能。污泥的化学需氧量（COD）约为970毫克/升，这一数值与典型的家庭污水和工业废水相符。在阳光照射8小时后，COD被降低至接近零，表明该催化剂在实际水处理中的应用潜力巨大。这种高效、节能的特性使其在环境修复领域具有广阔的应用前景，尤其是在资源有限或能源成本较高的地区。

从反应机制来看，该催化剂的主要活性物种是羟基自由基（OH*），这些自由基能够高效氧化多种有机污染物，使其分解为无害的小分子。同时，Fe(II)/Fe(III)的循环转换也在催化过程中起到了关键作用，不仅能够持续生成自由基，还能提高催化反应的效率和稳定性。这种机制使得催化剂在不同光照条件下都能保持较高的活性，进一步提升了其环境适应性和实用性。

此外，该催化剂还具有良好的可重复使用性。在多次循环实验中，其降解效率保持稳定，表明材料在实际应用中具有较长的使用寿命。这种特性对于大规模水处理系统尤为重要，因为它能够减少催化剂的更换频率，从而降低整体运行成本。同时，该催化剂的制备过程相对简单，无需复杂的设备或昂贵的原材料，这为其大规模生产和应用提供了便利。

综上所述，Fe-nTiO?/MgCQD纳米复合材料的开发为水体污染物的治理提供了一种新的解决方案。它不仅能够高效降解多种工业污染物，还能在可见光和紫外光下发挥作用，同时具备在黑暗条件下的一定活性。这种多功能性使得该催化剂在不同环境条件下都能保持较高的性能，为实现可持续的水环境治理提供了重要的技术支持。未来，随着对该材料的进一步研究和优化，有望将其应用于更广泛的水处理场景，为环境保护事业做出更大贡献。