磁性可回收NiFe2 O4 /TiO2 /ZrO2 三元纳米复合材料在可见光催化降解染料及抗菌应用中的协同效应研究

针对纺织废水中有机染料难降解和细菌污染问题，研究人员设计了一种新型磁性可回收NiFe2 O4 /TiO2 /ZrO2 三元纳米复合材料。通过FTIR、SEM、TEM等技术表征证实其具有28.34 nm晶粒尺寸和3.03 eV窄带隙，在可见光下40分钟实现Alizarin Red S染料100%降解，并对革兰氏阳性/阴性菌展现显著抗菌活性。该研究为开发高效、可重复使用的环境修复材料提供了新策略。

　　

随着纺织工业的快速发展，有机染料废水污染已成为全球性环境难题。传统处理方法对Alizarin Red S等蒽醌类染料的降解效率低下，且无法有效杀灭水中的病原微生物。更棘手的是，常用光催化剂如TiO₂
仅能利用4%的紫外光谱，而ZrO₂
虽成本低廉却存在电子-空穴复合率高的问题。如何开发兼具可见光响应、高效电荷分离和易回收特性的多功能材料，成为环境催化领域的研究热点。

为解决这一系列问题，研究人员通过创新性地将磁性镍铁氧体(NiFe₂
O₄
)、二氧化钛(TiO₂
)和二氧化锆(ZrO₂
)复合，构建了三元纳米催化体系。该研究采用溶胶-凝胶法合成NiFe₂
O₄
，共沉淀法制备ZrO₂
，并通过机械混合获得最终复合材料。通过X射线衍射(XRD)确认了材料的晶相结构，紫外-可见漫反射光谱(UV-DRS)测定其带隙为3.03 eV，扫描电镜(SEM)显示材料具有多孔结构，透射电镜(TEM)测得平均粒径为10.9 nm。

在光催化性能研究中，400 mg催化剂在pH=4条件下，40分钟内即可完全降解10 ppm的Alizarin Red S染料。通过系统考察催化剂投加量、染料浓度、温度和pH值等参数，发现材料在可见光区的优异活性源于三元组分间的协同效应：NiFe₂
O₄
提供磁性回收功能并扩展光响应范围，TiO₂
作为主要光活性组分，而ZrO₂
则通过抑制电子-空穴复合提升量子效率。磁性测试显示复合材料饱和磁化强度为16.2 emu/g，可通过外部磁场便捷分离。

抗菌实验表明，该材料对革兰氏阴性菌肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)和革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)均具有显著抑制效果，100 μL浓度下抑菌圈直径分别达16 mm和14 mm。机制研究表明，其抗菌作用主要通过以下途径实现：(1)光激发产生超氧自由基(O₂
^-
•)和羟基自由基(•OH)引发氧化应激；(2)释放的Ni²⁺
和Fe³⁺
离子干扰细菌代谢；(3)纳米材料直接破坏细胞膜完整性。

这项发表于《Results in Surfaces and Interfaces》的研究具有多重创新价值：首次将NiFe₂
O₄
的磁性与TiO₂
/ZrO₂
的光催化性能有机结合，开发出可磁回收的全可见光响应催化剂；通过详尽的表征揭示了三元组分间的协同机制；同时拓展了材料在环境消毒领域的应用。尽管存在循环使用后活性下降等局限，但该工作为设计下一代环境功能材料提供了重要参考，特别是在工业废水处理和医用抗菌涂层方面展现出广阔前景。