锰掺杂氧化铋纳米颗粒的太阳能驱动光催化废水修复性能优化研究

本研究针对有机污染物（如亚甲基蓝MB）难以降解的环境治理难题，通过低温溶液燃烧法合成Mn掺杂Bi2 O3 纳米颗粒，发现0.1 wt% Mn掺杂使带隙从3.63 eV降至3.5 eV，可见光吸收增强，MB降解率提升至96%（未掺杂仅73%），证实Mn通过抑制电子-空穴复合提升光催化效率，为太阳光驱动的废水处理提供了新材料。

　　

随着工业废水中有机污染物（如染料、药物残留）的持续增加，传统水处理技术已难以满足环境治理需求。其中，亚甲基蓝（MB）等染料因其毒性和难降解特性，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。半导体光催化技术因其绿色、高效的特点被视为潜在解决方案，但现有材料普遍存在可见光利用率低、电荷复合率高等瓶颈。氧化铋(Bi₂
O₃
)虽具有2.8-3.6 eV的适宜带隙，但纯相材料的光催化性能受限于快速电子-空穴复合。

为突破这一限制，Princess Nourah bint Abdulrahman University的研究团队通过低温溶液燃烧法（以尿素为燃料）制备了系列Mn掺杂Bi₂
O₃
纳米颗粒，系统研究了掺杂浓度对材料性能的影响。研究采用X射线衍射(XRD)确认晶体结构，紫外-可见光谱(UV-Vis)分析光学特性，扫描电镜(SEM)观察形貌，并结合光催化降解实验评估性能。

【Synthesis of Mn-doped Bismuth oxide NPs】
通过控制Bi(NO₃
)₃
·5H₂
O与尿素的1:3摩尔比，在600°C煅烧获得α-Bi₂
O₃
纳米颗粒。Mn掺杂通过前驱体溶液共混实现，确保Mn均匀分布于晶格中。

【Structural study】
XRD证实所有样品均为单一四方相α-Bi₂
O₃
（JCPDS#41-1449），无杂质峰。Mn掺杂使晶粒尺寸从1600 nm减小至600 nm，表明Mn抑制了晶体生长。

【Optical properties】
UV-Vis显示Mn掺杂引起吸收边蓝移（354→341 nm），带隙从3.63 eV降至3.5 eV，归因于Mn³⁺
/Mn⁴⁺
引入的缺陷态增强了可见光捕获。光致发光(PL)强度降低证实Mn有效抑制了电荷复合。

【Photocatalytic performance】
在模拟太阳光下，0.1 wt% Mn掺杂样品2小时内MB降解率达96%，显著高于未掺杂样品（73%）。动力学分析显示反应速率常数提升1.8倍，证实Mn通过形成电子陷阱促进电荷分离。

该研究揭示了过渡金属掺杂调控半导体能带结构的机制：Mn的引入不仅缩小带隙扩展光响应范围，其变价特性（Mn³⁺
/Mn⁴⁺
）还通过可逆氧化还原反应促进载流子迁移。EDAX证实Mn成功掺入晶格，SEM显示纳米颗粒尺寸均匀（约50-80 nm），高比表面积提供丰富活性位点。这种可规模化制备的Mn-Bi₂
O₃
光催化剂为利用自然太阳光处理染料废水提供了新思路，其设计策略可推广至其他过渡金属掺杂体系。论文发表于《Journal of the Indian Chemical Society》，通讯作者Amira Ben Gouider Trabelsi和abdelaziz Mohamed aboraia强调，该方法兼具成本效益与环境友好性，有望推动光催化技术在实际污水处理中的应用。