合成路线对LaFeO3钙钛矿结构性能及光催化降解四环素的影响机制研究

本研究针对不同合成方法（溶胶-凝胶法、固相法和水热法）对LaFeO3钙钛矿材料性能的影响展开系统探究。通过XRD、XPS、BET等表征技术揭示水热法合成的样品具有最优的光捕获能力和电荷分离效率，其光电流密度达56.68 μA，四环素降解率高达97.9%。该工作为光催化材料合成路线选择提供了重要理论依据，对环境污染治理具有显著应用价值。

　　

在环境污染治理领域，抗生素残留问题日益严峻，其中四环素类污染物因其持久性和生物累积性备受关注。传统降解技术效率低下，而钙钛矿型光催化剂LaFeO₃因其独特的电子结构（O 2p和Fe 3d轨道）和可见光响应特性（带隙1.8-2.7 eV），成为解决这一难题的新希望。然而，现有研究忽视了一个关键问题：合成路线如何影响LaFeO₃的最终性能？来自中国的研究团队在《Next Materials》发表的研究成果，首次系统比较了溶胶-凝胶法、固相法和水热法制备的LaFeO₃在结构-性能关系上的差异。

研究人员采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，X射线光电子能谱（XPS）表征表面化学状态，Brunauer-Emmett-Teller（BET）测试比表面积，结合紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）和光电化学测试等关键技术，构建了完整的材料性能评价体系。

3.1 结构与形貌特性
XRD显示水热法样品为纯相正交晶系（空间群Pnma），而固相法产物含8.9% La₂O₃杂质。通过场发射扫描电镜（FESEM）观察到水热法制备的颗粒尺寸最小（125.5 nm），高分辨透射电镜（HRTEM）证实其晶格条纹清晰，结晶度最优。

3.2 表面与光学性能
BET测试揭示水热样品具有最大比表面积（17.439 m²/g）和孔体积（0.0339 cm³/g）。紫外光谱显示其光吸收边红移至644 nm，带隙降至1.97 eV，光致发光（PL）谱表明该样品电荷复合率最低。

3.4 电化学行为
线性伏安扫描（LSV）测得水热样品在1.0 V电压下产生56.68 μA电流，是固相法的16倍。电化学阻抗（EIS）显示其电荷转移电阻仅22 Ω，Mott-Schottky曲线证实其为p型半导体。

3.5 光催化应用
在处理10 mg/L四环素溶液时，水热法制备的催化剂在120分钟内实现97.9%降解率，矿化度达77.5%。超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-MS）分析发现降解产物包括m/z=304、288等小分子片段，提出羟基自由基（^•OH）攻击芳香环的三种降解路径。

这项研究首次阐明合成路线通过调控LaFeO₃的晶格畸变（FeO₆八面体倾斜）和氧空位浓度，显著影响其光催化性能。水热法因其在形貌控制（纳米胶囊结构）和电子结构调控（Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对）方面的优势，成为制备高效光催化剂的首选方法。该成果不仅为钙钛矿材料合成提供方法论指导，更为设计新型环境修复材料开辟了新思路。