CuS-NiFe/NF纳米花介导的光热增强类芬顿催化在废水处理中的应用研究

为解决工业废水中有机染料难降解问题，研究人员通过一步法合成CuS-NiFe/NF纳米花催化剂，结合光热效应与类芬顿催化，实现了近红外光驱动下60°C温升及99%的甲基蓝（MB）降解效率。该材料在宽pH范围内保持高催化活性，且降解产物环境友好，为废水处理提供了新型绿色解决方案。

　　

工业废水中有机染料污染是环境治理的难题，尤其是甲基蓝（MB）等染料具有高毒性、难降解特性，传统处理方法存在成本高、效率低、二次污染等问题。针对这一挑战，一项发表于《Materials Today Sustainability》的研究通过创新材料设计，将光热效应与类芬顿催化结合，为废水处理提供了高效绿色方案。

研究团队采用一步水热法在泡沫镍（NF）基底上构建了纳米花状CuS-NiFe/NF催化剂。通过扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）证实材料具有13.9 μm的平均粒径和0.316 nm晶格条纹。关键技术包括：近红外光热性能测试（808 nm激光）、电子顺磁共振（EPR）检测自由基、密度泛函理论（DFT）模拟催化路径，以及细胞/微生物/植物三重生物相容性评估体系。

3.1 材料表征
CuS-NiFe/NF呈现花瓣状纳米片堆叠结构，EDX图谱显示Cu、S元素富集于材料边缘。XPS证实Cu⁺/Cu²⁺与Fe的电子转移，使Fe 2p结合能偏移2.4 eV。

3.2 光热性能
材料在808 nm激光（1.8 W/cm²）下5分钟内升温近60°C，光热转换效率达54.72%。浓度梯度实验显示，500 μg/mL溶液比25 μg/mL升温幅度高50°C。

3.3 催化降解
在pH=11、50°C条件下，MB降解率超过99%，反应速率常数k=0.03874 min^-1。EPR检测证实·OH产量显著增加，DFT计算揭示Cu⁺作为活性位点催化H₂O₂分解的路径。

3.4 降解机制
MB分子经·OH攻击后，中心硫原子和侧链氮被氧化为Cl^-、NO₃^-等无机物，3小时后矿化率达62.43%。GC-MS检测到苯酚等中间产物。

3.5 生物相容性
NRK-52E细胞存活率>97%，大肠杆菌（E. coli）实验显示降解产物促进细菌生长。大豆发芽实验证实材料无生态毒性，种子鲜重增加约15%。

该研究首次将NiFe/NF作为CuS载体用于光热-芬顿协同催化，突破传统芬顿反应pH限制，在碱性环境中仍保持95%降解率。材料五次循环后效率保持85%，且降解产物不含生物抑制成分，为工业废水处理提供了兼具高效性与环境兼容性的新策略。