水葫芦茎基活性炭修饰MnO2/Fe3O4三元复合材料的光催化降解亚甲基蓝性能研究

本研究针对工业废水中有毒染料亚甲基蓝（MB）难降解问题，通过绿色合成法构建水葫芦茎基活性炭（AC）修饰的MnO2/Fe3O4三元复合材料（MnO2/Fe3O4/AC），在可见光下实现87.2%的MB降解率。该催化剂具有高孔隙率、磁回收性和稳定性，为低成本治理水污染提供了新策略。

　　

随着工业化和城市化进程加速，含有亚甲基蓝（MB）等有毒染料的工业废水已成为全球水污染的主要源头。这种难以降解的致癌物质严重威胁生态系统和人类健康。传统水处理方法如沉淀、膜过滤等存在效率低、成本高的问题，而半导体光催化技术因其高效、环保的特性成为研究热点。然而，单一催化剂如MnO₂或Fe₃O₄存在电子-空穴复合率高、稳定性差等缺陷。为此，埃塞俄比亚阿达玛科技大学等机构的研究人员创新性地利用入侵植物水葫芦（WH）的茎基制备活性炭（AC），并以此为载体构建MnO₂/Fe₃O₄/AC三元复合材料，实现了MB染料的高效降解，相关成果发表于《Materials Science and Engineering: B》。

研究采用WH叶提取物为模板，通过K₂CO₃/KOH活化法制备多孔AC，再与MnO₂/Fe₃O₄纳米复合材料（NCs）复合。关键技术包括热重-差热分析（TGA/DTA）评估热稳定性，X射线衍射（XRD）和电子显微镜（SEM/TEM）表征形貌，以及紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定光吸收性能。

研究结果

1. 材料特性：TGA显示复合材料在400°C以上保持稳定，SEM证实其球形多孔结构，BET测试表明8%AC修饰的样品具有最大比表面积（142 m²/g），显著提升光催化活性。
2. 降解性能：在pH 7、10 ppm MB条件下，MnO₂/Fe₃O₄/8%AC的降解率达87.2%，优于单一组分（MnO₂ 82%）和二元复合物（78.3%）。AC的引入有效抑制电子-空穴复合，增强可见光利用。
3. 机理分析：FTIR和UV-DRS证实AC通过增大孔隙率和降低带隙（2.1 eV）促进自由基生成，磁性Fe₃O₄则赋予催化剂磁回收能力。

结论与意义
该研究首次将WH衍生的AC与磁性半导体结合，开发出高效、可回收的光催化剂。8%AC负载的复合材料因优化的孔隙结构和能带特性展现出最佳性能，为解决工业染料污染提供了低成本、可持续的方案。未来可通过调控AC比例进一步优化材料，推动其在环境修复中的实际应用。