咖啡渣衍生BiOCl/CeO2/α-Fe2O3掺杂水热炭的结构解析及其增强光催化降解印染废水性能研究

本研究针对纺织印染废水中有机染料难降解问题，通过溶热法将咖啡渣转化为BiOCl/CeO2/Fe2O3掺杂水热炭（H-Bi/H-Bi/Ce/H-Bi/Fe），系统考察其光催化降解靛蓝染料性能。结果表明，掺杂材料通过调控活性氧物种（ROS）生成机制（如•OH、O2•-及h+）实现100%降解效率，且循环稳定性优异，为生物质基光催化剂设计提供新思路。

　　

随着纺织工业的快速发展，合成染料废水已成为全球水环境的主要污染源之一。这些污染物不仅增加水体浊度、阻碍光合作用，还会通过化学转化生成更具毒性的副产物，严重威胁水生生态系统和人类健康。当前物理吸附、化学氧化和生物处理等技术各存局限，而基于TiO₂的光催化技术虽效果显著却面临规模化应用瓶颈。与此同时，咖啡渣等生物质废弃物的大量堆积也引发资源化利用需求。在此背景下，墨西哥科研团队创新性地将咖啡渣转化为功能化水热炭载体，通过掺杂BiOCl、CeO₂和α-Fe₂O₃构建高效光催化体系，相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用溶热法合成四种水热炭材料：原始咖啡渣水热炭（H）、BiOCl掺杂（H-Bi）、BiOCl-CeO₂共掺杂（H-Bi/Ce）和BiOCl-Fe₂O₃复合（H-Bi/Fe）。通过UV-Vis漫反射光谱（DRS）、X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜（TEM）表征材料结构，并系统考察pH值、催化剂投加量和染料浓度对靛蓝染料降解的影响。

Characterization
DRS分析显示掺杂材料在200-675 nm范围具有显著光吸收，其中H-Bi和H-Bi/Fe的带隙分别降至1.73 eV和1.49 eV，拓宽了可见光响应范围。XPS证实循环使用后仍稳定存在BiOCl、CeO₂和Fe₂O₃晶相，TEM观察到均匀分散的异质结结构。

Photocatalytic performance
在pH=3、催化剂投加量0.1 g/L条件下，H、H-Bi和H-Bi/Fe均实现100%染料降解。机理研究表明：H-Bi通过生成•OH和O₂•^-发挥作用，碱性条件下h⁺占主导；H-Bi/Ce利用CeO₂氧空位协同h⁺与•OH；H-Bi/Fe则在酸性介质中通过Fenton/光-Fenton反应以•OH为主要活性物种。电化学测试显示H-Bi/Fe在1.23 V vs. RHE时具有最高光电流密度，且在碱性电解液中呈现更高电子转移电阻。

Conclusions
该研究成功将咖啡渣转化为高性能光催化材料，阐明金属氧化物掺杂调控ROS生成路径的机制。H-Bi/Fe体系展现出优异的循环稳定性和电化学性能，其"生物质载体-异质结构建-能带工程"三位一体设计策略，为开发低成本、可持续的废水处理技术提供重要参考。特别值得注意的是，材料在四次循环后仍保持碳氧球形结构和均匀分散性，证实其工业化应用潜力。研究团队特别致谢墨西哥蒙特雷校区先进材料研究中心（CIMAV）在表征技术方面的支持。