在PoPD/NiFe?O?/AgI三元复合材料中，可见光驱动的光催化性能得到了增强，电荷转移速率也加快了

《Materials Science and Engineering: B》：Enhanced visible-light-driven photocatalysis and accelerated charge transfer in PoPD/NiFe 2O 4/AgI ternary composite

本研究的合成三元复合材料PoPD/NiFe?O?/AgI通过共沉淀法，在可见光下表现出93%的甲基蓝降解效率，对其他有机染料也有高效去除效果，且具备四次循环回收稳定性。磁性铁氧体NiFe?O?实现催化剂高效分离，聚氧苯二胺PoPD增强电荷分离并抑制AgI光腐蚀。

　　

Yunus Shiri|Bahram Bahramian|Vahid Mirdarvatan|Mahdi Mirzaee

伊朗沙赫鲁德科技大学化学系

摘要

通过共沉淀法成功合成了一种新型三元复合材料，该复合材料由聚氧苯二胺（PoPD）、镍铁氧体（NiFe?O?）和碘化银（AgI）组成。采用多种表征技术研究了该复合材料的组成、形貌和光学性质。结果表明，该复合材料在可见光驱动下对亚甲蓝的降解活性显著增强，降解率可达93%；同时，在可见光照射下对其他有机染料污染物（如孔雀石绿、结晶紫和藏红花素）的降解效果也很好，降解率分别为91%、82%和83%。回收测试表明，该复合材料在连续使用四个循环后仍具有较高的稳定性。此外，还通过多种清除剂对降解机制进行了研究。

引言

尽管工业发展改善了人类生活，但也导致了严重的环境污染。为解决这一问题，寻找一种环保且无二次污染的方法至关重要。有机染料是这类污染物的典型代表，它们广泛应用于纺织工业，并容易进入水体。这些染料会污染地表水和地下水，对各种生物造成严重危害[1]。高级氧化工艺（AOPs）是一种环保的有机染料处理方法。在各种AOPs中，可见光或阳光照射下的光催化降解技术能耗较低，且有望将有机物完全矿化为水和二氧化碳，对自然环境的负面影响最小[2]。基于半导体的光催化剂（SPCs）是这类技术的核心[3]。在适当的光照下，SPCs会产生电子-空穴对；如果这些电子-空穴对具有足够的能量和足够长的寿命，它们可以生成羟基自由基或超氧阴离子等活性氧（ROSs），从而实现有机物的矿化[4,5]。尽管有许多因素可能影响这一过程，但近年来研究人员发现了一些有效的SPCs，能够在可见光或紫外光辐射下降解不同的有机污染物。碘化银属于这类SPCs，它们具有产生ROSs所需的能量水平，但存在电子-空穴对快速复合以及产生的电子与银离子发生光腐蚀的问题[6]。此外，碘化银还可能形成团聚颗粒，降低比表面积，这需要通过合适的合成策略加以改善。将活性物种固定在具有较大比表面积的聚合物基底上是一种传统的抑制团聚的方法。对于碘化银半导体而言，导电聚合物尤为重要，因为它们不仅能将活性颗粒分散在更大的表面上，还能捕获产生的电子，延长电子-空穴对的寿命并抑制光腐蚀[7]。聚苯胺（PANI）和聚氧苯二胺（PoPD）常被用作此类导电聚合物[8]。例如，Chen等人使用PANI/Ag?PO?/NiFe?O?复合材料在可见光照射下降解了多种有机化合物[9]。PoPD具有多种优势，如可调节的导电性、优异的光学性质和强的电活性[8],[9],[10]。Yang的研究团队制备了PoPD/TiO?复合材料用于光催化降解亚甲蓝[11]；Lu等人制备了核壳结构Ag-PoPD/CoFe?O?光催化剂，用于模拟阳光照射下的环丙沙星选择性降解[12]；Sun等人用AgCl/g-C?N?纳米片修饰PoPD，用于可见光催化降解四环素[13]。催化剂的回收是废水处理中的一个重要问题，Lu和Chen等人通过在复合材料中加入Co或Ni铁氧体来解决这一问题[9,12]。这些磁性铁氧体的加入使得可以通过磁铁轻松分离催化剂，方法简单高效。 受这些研究的启发，我们选择使用碘化银（AgI）作为光催化剂。尽管AgI具有中等带隙能量（约2.8 eV），能够吸收可见光[14]，但其光照下的不稳定性限制了其实际应用。因此，我们尝试将其与PoPD结合，制备出一种高效且抗光腐蚀的光催化剂，用于在可见光照射下降解多种有机染料污染物。同时加入NiFe?O?以提高催化剂的回收效率，使其优于大多数现有的有机污染物光催化剂。基于纯金属氧化物、聚合物、MXenes和MOFs的复合材料虽然能改善电子-空穴对的寿命或活性表面积[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29],[30]，但成功去除污染物后回收催化剂对于消除环境污染至关重要。使用磁性复合材料是实现这一目标的最佳方法，因为它们可以通过简单强磁铁实现催化剂的完全分离[31,32]。

材料与方法

本研究使用了以下试剂：氧苯二胺（OPD，C?H?(NH?)?，99%）、过硫酸钾（KPS，K?S?O?，99%）、氯化镍（NiCl?·6H?O，99%）、氯化铁（FeCl?·9H?O，44%）、碘化钾（KI，99%）、硝酸银（AgNO?，99.9%）、乙醇（C?H?O，99%）、乙酸（CH?COOH，99.5%）、亚甲蓝（MB，C??H??ClN?S，≥99%）、孔雀石绿（MG，C??H??ClN?，98%）、结晶紫（CV，C??H??ClN?，≥70%）、藏红花素（SA，C??H??ClN?，≥80%）以及乙二胺四乙酸（EDTA）。

XRD分析

图2展示了PoPD和PoPD/NiFe?O?/AgI的XRD图谱。PoPD呈现出一个宽峰，中心位于26.48°，表明其非晶态结构[33,38]。该宽峰源于PoPD结构中平行链的周期性（ICDD卡片编号101–1061）。PoPD/NiFe?O?/AgI复合材料同时显示了AgI和NiFe?O?的结晶峰，具体位置分别为30.29°、35.68°、37.33°、43.36°、53.81°、57.37°和63.00°。

结论

本研究通过逐步聚合-沉淀法合成了PoPD/NiFe?O?/AgI三元复合材料。PoPD作为基底不仅提高了产品的比表面积，还通过捕获未使用的VB轨道电子延长了电子-空穴对的寿命，并抑制了AgI的光腐蚀；而磁性的NiFe?O?则有助于高效分离光催化剂并减少其环境影响。这些因素共同提升了该复合材料的性能。

CRediT作者贡献声明

Yunus Shiri：负责撰写初稿、实验研究及数据分析。 Bahram Bahramian：负责审稿与编辑、结果验证、项目监督及实验设计。 Vahid Mirdarvatan：负责结果验证与项目监督。 Mahdi Mirzaee：负责审稿与编辑及结果验证。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

感谢沙赫鲁德科技大学对本次研究的财务支持。