Fe3O4/Ag 复合催化剂：高效降解有机污染物，开启废水处理新征程

印染和化工等行业产生的甲基橙（MO）、4 - 硝基苯酚（4-NP）等有机污染物危害极大。研究人员合成三种 Fe3O4/Ag 复合催化剂，发现 S2/Ag 稳定性强、易分离，在降解 MO 和 4-NP 上表现出色，为工业废水处理提供了新方案。

　　在现代工业蓬勃发展的背后，环境污染问题却日益严峻。印染、化工等行业排放的废水中，含有大量如甲基橙（MO）和 4 - 硝基苯酚（4-NP）这样的有机污染物。这些污染物即使在极低浓度下，也会对水生生物的生理活动产生显著影响，还可能通过食物链传递，威胁人类健康。传统的污水处理方法在面对这些难降解的有机污染物时，往往效果不佳。为了寻找更高效的解决方案，越南国家大学胡志明市分校（Vietnam National University, Ho Chi Minh City）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于探究不同 Fe₃O₄基质制备方法对 Fe₃O₄/Ag 复合材料催化性能的影响，期望能找到一种高效且稳定的催化剂，用于降解废水中的有机污染物。该研究成果发表在《Desalination and Water Treatment》上，为废水处理领域带来了新的希望。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是材料合成技术，通过共沉淀、溶剂热、溶剂热还原等方法制备了不同的 Fe₃O₄基质，并采用水热法将 Ag 纳米颗粒沉积在 Fe₃O₄表面，合成 Fe₃O₄/Ag 复合材料。其次是材料表征技术，利用 X 射线粉末衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）等多种手段，对合成材料的结构、形貌、成分等进行分析。最后是催化性能测试技术，以 NaBH₄为还原剂，通过监测 MO 和 4-NP 在催化反应过程中的吸光度变化，评估 Fe₃O₄/Ag 复合材料的催化性能。

1. Fe₃O₄及 Fe₃O₄/Ag 材料的结构与形貌特征

研究人员采用不同方法合成了三种 Fe₃O₄样品（P1、S1、S2），并制备了相应的 Fe₃O₄/Ag 复合材料（P1/Ag、S1/Ag、S2/Ag）。XRD 分析显示，S2 的衍射峰尖锐，结晶度高，其晶粒尺寸经计算为 24.6nm，而 P1 和 S1 的晶粒尺寸分别仅为 4.2nm 和 7.2nm。FT-IR 光谱表明，三种 Fe₃O₄样品在 3433cm^-1和 1630cm^-1处有与吸附水相关的特征峰，S1 在该区域的峰形和强度有独特之处，且 S1 和 S2 还存在与合成过程中乙二醇相关的 C-O 拉伸振动峰。FE-SEM 图像显示，P1 和 S1 的 Fe₃O₄颗粒小且聚集，S2 则呈现直径约 300nm 的空心球形颗粒。这些结构和形貌的差异源于不同的合成机制。对于 Fe₃O₄/Ag 复合材料，XRD 结果表明 Ag 成功负载到 Fe₃O₄上，且 S1/Ag 和 S2/Ag 的 Ag 纳米颗粒衍射峰更明显，晶体结构更有序。FE-SEM 图像显示 P1/Ag 和 S1/Ag 呈颗粒状、聚集且分散密集，S2/Ag 则保持了类似 S2 的球形形貌。EDX 分析确认了 Ag 与 Fe₃O₄的结合，且不同样品中 Ag 含量有所不同。

2. Fe₃O₄及 Fe₃O₄/Ag 材料的磁性分析

通过振动样品磁强计（VSM）对 Fe₃O₄样品的磁性进行分析，发现 S1 和 S2 的最大饱和磁化强度分别为 70.7emu/g 和 79.5emu/g，P1 的饱和磁化强度较低，但三者均具有超顺磁性，能够利用磁场从水溶液中轻松分离。对于 Fe₃O₄/Ag 复合材料，由于非磁性 Ag 纳米颗粒的屏蔽效应，其饱和磁化强度有所下降，不过 S2/Ag 因 Ag 含量最低，饱和磁化强度下降幅度最小，且复合材料仍保持超顺磁性，便于磁分离回收。

3. Fe₃O₄/Ag 催化剂的催化性能研究

以 NaBH₄为还原剂，研究 Fe₃O₄/Ag 催化剂对 MO 和 4-NP 的催化还原性能。实验发现，单独的 NaBH₄或催化剂都无法有效催化反应，二者协同作用才能实现对 MO 和 4-NP 的高效降解。在降解 MO 时，P1/Ag 催化剂表现最为出色，2 分钟内就能使 MO 溶液完全褪色，S1/Ag 和 S2/Ag 则分别需要约 4 - 5 分钟。在降解 4-NP 时，P1/Ag 同样表现最佳，2 分钟内使 4-NP 完全还原为 4 - 氨基苯酚（4-AP），S1/Ag 和 S2/Ag 所需时间分别为 3 分钟和 4 分钟。这表明 P1/Ag 的催化活性最高，主要归因于其较高的 Ag 含量和较小的粒径，而 S2/Ag 因 Ag 含量较低、粒径较大，催化效率相对较低。研究还通过电子转移过程解释了催化反应机制，明确了催化剂在反应中的作用方式。

4. Fe₃O₄/Ag 催化剂的稳定性和可重复性测试

对 Fe₃O₄/Ag 材料进行循环实验，评估其稳定性和可重复性。结果显示，S2/Ag 催化剂在五次循环中表现出良好的稳定性，催化效率无明显下降。而 P1/Ag 和 S1/Ag 催化剂在循环过程中，由于 Ag 纳米颗粒的逐渐浸出和表面杂质积累，导致催化效率有所降低。进一步实验发现，P1/Ag 和 S1/Ag 在反应过程中有 Ag 离子浸出，而 S2/Ag 则不存在该问题，这进一步证明了 S2/Ag 的稳定性优势。

综上所述，研究人员成功合成了三种 Fe₃O₄/Ag 复合催化剂，并详细研究了其结构、形貌、磁性和催化性能。不同的 Fe₃O₄基质制备方法显著影响了 Fe₃O₄/Ag 复合材料的性能。S2/Ag 复合材料在保持球形形貌的同时，展现出良好的磁性和稳定性，在催化降解 MO 和 4-NP 方面表现优异，且经过多次循环使用后催化效率依然较高。该研究成果为工业废水处理提供了一种高效、稳定且可重复使用的催化剂选择，对解决环境污染问题具有重要的实际意义，有望推动废水处理技术的进一步发展，为实现可持续发展目标贡献力量。