超小铁纳米颗粒诱导内建电场驱动的光自芬顿系统实现高效废水净化

为解决传统芬顿反应需外加H2 O2 和铁离子导致的成本高、效率低等问题，研究人员开发了基于g-C3 N4 负载超小Fe NPs的光自芬顿催化剂（FeNP -CN）。该体系通过Fe NPs引入掺杂能级和内建电场，显著提升光吸收与载流子分离效率，实现溶解氧原位转化为•OH与h+ 协同降解污染物，为复杂水质净化提供了高效稳定的解决方案。

　　

随着新兴水污染物威胁生态安全和人类健康，传统芬顿反应因需持续添加H₂
O₂
和铁盐而面临成本高、二次污染等瓶颈。如何利用太阳能驱动污染物降解成为研究热点。中国科学院的研究团队在《Environmental Research》发表论文，提出了一种突破性解决方案——通过超小铁纳米颗粒（Fe NPs）与石墨相氮化碳（g-C₃
N₄
）复合构建光自芬顿系统，实现了无需外源试剂的高效水净化。

研究采用高温热解法将小于3 nm的Fe NPs锚定在g-C₃
N₄
基底上，结合密度泛函理论（DFT）计算和开尔文探针力显微镜（KPFM）揭示了Fe NPs诱导的电荷极化机制。通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和电化学测试证实了能带结构优化，利用电子顺磁共振（EPR）捕获了活性氧物种。

Identification of Fe_NP
-CN with Fe NPs
XRD和TEM证实Fe NPs成功负载且保持g-C₃
N₄
晶型，XPS显示Fe⁰
/Fe²⁺
共存态。UV-Vis显示Fe NPs将光吸收边红移至550 nm，带隙从2.7 eV降至2.2 eV。

Internal electric field enhanced charge separation
KPFM测得Fe_NP
-CN表面电势差达48 mV，DFT计算表明Fe NPs引起电子局域化，形成从g-C₃
N₄
指向Fe NPs的内建电场，使载流子分离效率提升3.2倍。

Photo-self-Fenton reaction mechanism
EPR检测到•OH和•O₂
^-
信号，原位拉曼观察到H₂
O₂
中间体。Fe⁰
通过单电子转移活化溶解氧，形成Fe²⁺
/Fe³⁺
循环，实现H₂
O₂
原位生成与活化。

Pollutant degradation performance
对磺胺甲恶唑（SMX）的降解速率常数达0.28 min^-1
，矿化率在60分钟内达78%。实际水体测试显示抗干扰性强，循环10次后活性仅降低9%。

该研究首次阐明超小金属NPs通过能带工程和内建电场协同调控光自芬顿过程的机制，为设计环境友好型水处理技术提供了新范式。Fe_NP
-CN体系兼具高效性、稳定性和经济性，对实现"双碳"目标下的水污染控制具有重要应用价值。