溶胶-凝胶法合成锌铁氧体钙钛矿纳米颗粒用于阳离子/阴离子染料二元及三元体系的光催化降解研究

针对工业废水中混合染料难降解问题，印度研究团队通过溶胶-凝胶法制备ZnFeO3钙钛矿纳米颗粒，在可见光下实现MB/TB/RR单组分染料99%降解率，二元/三元混合体系达78-86%降解效率，FTIR和TOC证实矿化作用，为纺织废水处理提供新型光催化剂解决方案。

　　

随着纺织工业的快速发展，含有MB Magenta（C₂₅H₃₀N₃Cl）、GL Toluidine Blue（C₁₅H₁₆ClN₃S）和M5B Reactive Red（C₁₉H₁₀Cl₂N₆Na₂O₇S₂）等复杂染料的工业废水排放量激增。这些染料分子结构稳定，传统处理方法如化学氧化和生物降解存在二次污染或效率低下等问题。特别是实际废水中多种染料共存产生的协同效应，使得现有技术难以有效处理。

为应对这一挑战，印度理工学院海得拉巴分校的研究团队创新性地采用溶胶-凝胶法制备锌铁氧体钙钛矿（ZnFeO₃）纳米颗粒，通过系统研究其在可见光下对单一染料及混合染料体系的降解性能，发现该催化剂在50 mg用量、10 mg/L染料浓度条件下，50分钟内即可实现单一染料99%的降解率。更值得注意的是，在模拟实际废水的二元和三元混合体系中，仍能保持78-86%的降解效率。相关成果发表在《Polyhedron》期刊，为工业废水处理提供了新型解决方案。

研究团队主要采用三大关键技术：1）溶胶-凝胶法制备ZnFeO₃纳米颗粒；2）Diffusive Reflectance Spectroscopy（DRS，漫反射光谱）测定材料1.65 eV的窄带隙特性；3）通过FTIR（傅里叶变换红外光谱）和TOC（总有机碳）分析验证染料分子结构破坏和矿化过程。

【材料特性】通过Tauc's plot计算显示ZnFeO₃具有1.65 eV的窄带隙，使其在750-1000 nm近红外-可见光区具有强吸收能力，这是实现高效光催化的关键特性。

【单一染料降解】在优化条件下（pH=7，50 mg催化剂），MB、TB和RR三种染料分别在50、50和60分钟内达到99%以上降解率，反应符合准一级动力学模型。

【混合体系研究】二元混合物降解效率为85%（时间优化）和80%（pH优化），三元体系效率略降至86%和78%，表明染料分子间存在竞争吸附和光谱重叠效应。

【机理分析】FTIR谱图显示染料特征峰（如MB的-SO₃^-基团1590 cm^-1吸收峰）消失，TOC去除率证实了染料分子完全矿化为CO₂和H₂O。

【稳定性测试】经过5次循环实验，催化剂仍保持92%以上的活性，XPS分析表明Zn²⁺/Fe³⁺氧化态稳定是其可重复使用的结构基础。

该研究证实ZnFeO₃钙钛矿纳米材料具有三大优势：1）窄带隙特性实现可见光驱动催化；2）表面丰富的氧化还原位点促进染料分子分解；3）稳定的尖晶石结构确保循环使用性。特别在解决混合染料体系降解这一行业难题方面，研究提出的"竞争吸附-协同降解"机制为复杂废水处理提供了新思路。Vishnu Manirethan团队的工作不仅拓展了钙钛矿材料在环境领域的应用，其建立的混合污染物评价体系更为工业废水处理工艺优化提供了重要参考。