基于上转换效应与Z型异质结的FeTiO3/NaYF4:Yb,Dy,Nd光芬顿催化剂在可见-近红外光下的高效降解机制研究

针对传统光芬顿催化剂太阳能利用率低、近红外光响应不足的问题，研究人员通过水热法合成FeTiO3/NaYF4:Yb,Dy,Nd（FNYDN）上转换复合催化剂，利用稀土离子上转换效应拓宽可见光吸收范围，构建Z-Scheme异质结促进载流子分离。实验表明0.75 FNYDN对四环素的降解效率达93.51%（可见-近红外光）和86.72%（纯近红外光），为全光谱响应催化剂设计提供新思路。

　　

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研究背景与意义
环境污染治理是当前全球性挑战，其中抗生素污染因其生态风险备受关注。光芬顿技术（Photo-Fenton）因其高效、环保特性成为研究热点，但传统Fe基催化剂如FeTiO₃存在带隙宽（2.5-2.9 eV）、仅能利用4%-5%太阳光谱（紫外光）以及载流子复合快等问题。如何通过材料设计实现全光谱响应（紫外-可见-近红外）并提升载流子分离效率，成为突破技术瓶颈的关键。

研究设计与方法
江西某研究团队通过溶胶-凝胶法和水热法构建FeTiO₃/NaYF₄:Yb,Dy,Nd（FNYDN）复合催化剂，采用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）验证材料结构，通过光致发光光谱（PL）和电化学测试分析载流子行为，结合电子顺磁共振（EPR）和自由基捕获实验阐明降解机制。

主要研究结果

1. 结构表征：XRD证实FNYDN成功复合，TEM显示NaYF₄:Yb,Dy,Nd（NYDN）均匀附着于FeTiO₃表面，XPS揭示Z-Scheme异质结形成。
2. 光学性能：上转换效应将980 nm近红外光转换为可见光，UV-Vis-NIR光谱显示0.75 FNYDN吸收边红移至近红外区。
3. 降解效率：在可见-近红外光下，0.75 FNYDN对四环素（TCH）降解率达93.51%，较纯FeTiO₃（80.83%）和NYDN（37.76%）显著提升；纯近红外光下降解效率仍达86.72%。
4. 机制解析：EPR检测到·OH和·O₂^-活性物种，Z-Scheme异质结促进电子-空穴对分离，稀土离子上转换效应拓宽光响应范围。

结论与展望
该研究通过稀土掺杂上转换材料与Z-Scheme异质结的协同作用，首次实现FeTiO₃基催化剂在近红外光下的高效降解，为开发全光谱响应环境修复材料提供新策略。未来可进一步优化稀土离子配比，探索其在工业废水处理中的应用潜力。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》。