新型α-Fe2O3/Cu-Ag-I-Cl合金Z型异质结的构建及其增强光催化降解性能研究

本研究针对传统光催化剂在环境污染物降解中效率不足的问题，设计了一种新型α-Fe2O3/Cu-Ag-I-Cl合金Z型异质结光催化剂。通过XRD、XPS等技术证实其结构特征，实验显示该复合材料对孔雀石绿(MG)的紫外光降解效率达88%，优于单一组分。其性能提升源于Z型异质结促进的载流子分离及表面Ag等离子体共振效应，为水污染治理提供了高效稳定的解决方案。

　　

随着工业废水排放加剧，有机染料污染已成为全球性环境挑战。传统物理过滤法难以降解水溶性染料分子，而单一光催化剂存在载流子复合率高、氧化还原能力有限等瓶颈。针对这一难题，研究人员创新性地将窄带隙半导体α-Fe₂O₃（2.2 eV）与Cu-Ag-I-Cl金属卤化物合金耦合，构建了具有可见光响应的Z型异质结光催化体系。

为验证该设计的可行性，研究团队通过共沉淀法合成α-Fe₂O₃纳米颗粒，并与预优化的Cu_0.8Ag_0.2I_0.8Cl_0.2合金溶液复合。采用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱确认晶体结构，紫外-可见漫反射光谱测定带隙，场发射扫描电镜（FE-SEM）观察形貌，X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素化学态。通过降解孔雀石绿（MG）评估光催化性能，并结合自由基捕获实验阐明反应机制。

3.1 α-Fe₂O₃纳米颗粒合成
采用铁盐共沉淀法在pH=11条件下制备前驱体，经700℃退火获得结晶良好的α-Fe₂O₃纳米颗粒（80-120 nm），XRD显示其特征衍射峰与标准卡片（JCPDS 01-089-0599）一致。

3.2 复合材料制备
将α-Fe₂O₃与Cu-Ag-I-Cl合金按不同质量比复合，最佳配比为(Fe₂O₃)_0.2/(Cu_0.8Ag_0.2I_0.8Cl_0.2)_0.8。XRD显示复合材料同时保留α-Fe₂O₃和γ相合金特征峰，但Fe₂O₃的（104）晶面峰向低角度偏移，表明界面处存在Cu/Ag向Fe晶格的扩散。

3.3 结构分析
拉曼光谱中α-Fe₂O₃的A_1g（230 cm^-1）和E_g（297 cm^-1）振动模在复合后发生位移，证实异质结界面化学键重构。

3.4 光学特性
通过Tauc图计算得Cu-Ag-I-Cl和α-Fe₂O₃的带隙分别为2.7 eV和2.1 eV，复合样品在420 nm和600 nm处出现双重吸收边，适合可见光催化。

3.5 形貌与元素分析
FE-SEM显示α-Fe₂O₃纳米颗粒均匀包覆在合金表面。XPS发现Ag 3d谱存在368.9 eV（Ag⁰）和367.7 eV（Ag⁺）双峰，证实表面存在金属银纳米颗粒，其等离子体共振效应可增强光吸收。

3.6 光催化性能
在紫外光（365 nm）照射100分钟后，(Fe₂O₃)_0.2/(Cu_0.8Ag_0.2I_0.8Cl_0.2)_0.8对MG的降解率达88%，显著高于单一组分（α-Fe₂O₃：46%；合金：72%）。可见光下效率降至55%，表明材料兼具宽光谱响应特性。

3.7 清除剂研究
添加对苯醌（P-BQ）和异丙醇（IPA）分别使降解率降至23%，证实超氧自由基（O₂^•?）和羟基自由基（•OH）共同主导反应。酸性条件（pH=3）最有利降解，而CO₃^2-阴离子会抑制活性位点。

该研究通过构建Ag介导的Z型异质结，实现了光生载流子的空间分离：Fe₂O₃导带电子与合金价带空穴复合，保留下的合金导带电子生成O₂^•?，Fe₂O₃价带空穴生成•OH。材料兼具磁性回收（1小时回收率>80%）和循环稳定性（2次循环后效率保持70%），对罗丹明B、氧氟沙星等污染物也展现广谱降解能力。这项发表于《Next Materials》的成果为设计高效稳定的环境修复材料提供了新思路，其Z型电荷转移机制和等离子体增强策略可拓展至CO₂还原、光解水等领域。