钆/钕共掺杂CoFe2O4纳米结构的增强光学与光催化性能及其环境净化应用

本研究通过水热法合成Gd单掺杂及Nd/Gd共掺杂CoFe2O4纳米颗粒，系统探究了稀土元素掺杂对材料结构、光学及光催化性能的调控作用。结果表明，Nd/Gd共掺杂样品在太阳光下对刚果红染料的降解率高达99.2%（k=0.0449 min-1），其优异的电荷分离效率与宽光谱吸收特性为水净化技术提供了新型高效催化剂。

　　

研究背景与意义
随着工业废水中有机污染物治理需求的日益紧迫，开发高效、可回收的光催化剂成为环境科学领域的重要挑战。钴铁氧体(CoFe₂O₄)因其独特的尖晶石结构、可见光响应特性（带隙1.3-2.7 eV）及磁性回收优势备受关注，但其光生载流子复合率高、太阳光利用率有限等问题制约实际应用。稀土元素凭借4f电子层特殊构型，可通过晶格应变和缺陷工程调控半导体性能，但关于Gd/Nd共掺杂CoFe₂O₄的协同效应研究仍属空白。

研究方法
研究团队采用水热法合成纯相及掺杂CoFe₂O₄纳米颗粒，通过XRD-Rietveld精修分析晶体结构演变，TEM观测形貌变化，XPS表征元素化学态，UV-Vis-NIR光谱测定光学性能，并以刚果红(CR)降解实验评估光催化活性。

研究结果

1. XRD分析：所有样品均呈现立方尖晶石结构（空间群Fd-3m:2），Gd掺杂使晶胞体积膨胀（离子半径效应），晶粒尺寸从8.69 nm（纯相）增至11.42 nm（Gd掺杂）和10.78 nm（Nd/Gd共掺杂）。
2. TEM表征：掺杂样品出现明显团聚现象，高分辨图像证实晶面间距变化与掺杂引起的晶格畸变相符。
3. XPS研究：Nd/Gd共掺杂导致Fe 2p和Co 2p结合能位移，Co²⁺在四面体位占比增加；O 1s谱显示表面氧物种重构。
4. 光学性能：Gd掺杂使带隙从1.36 eV降至1.21 eV，而Nd/Gd共掺杂略微回升至1.38 eV，Gd单掺样品折射率最高。
5. 光催化机制：Nd/Gd共掺杂样品展现99.2% CR降解率（k=0.0449 min^-1），归因于增强的电荷分离效率、宽谱光捕获及表面活性位点增加。

结论与展望
该研究通过稀土元素精准掺杂，实现了CoFe₂O₄光催化性能的突破性提升。Nd/Gd共掺杂引发的晶格应变与电子结构调控，为设计高效磁性光催化剂提供了新思路。发表于《Journal of Rare Earths》的这项成果，不仅拓展了稀土在环境材料中的应用边界，更为实际水处理工艺开发了兼具高活性与易回收特性的新型材料体系。