异质结协同增强：Fe2O3/g-C3N4双功能光催化剂实现CO2高效转化与污染物降解

为应对温室效应与染料污染难题，研究人员通过简易水热法构建了Fe2O3/g-C3N4异质结光催化剂（FC-X）。优化后的FC-8在可见光下实现95.5% RhB降解（180分钟）及19.72 μmol·g-1·h-1 CH4产率，反应速率较单一组分提升1.63-8.12倍。该材料通过界面电荷高效分离与活性氧（1O2主导）机制协同作用，循环4次后仍保持90%以上效率，为可持续环境治理提供新策略。

　　

研究背景：环境治理的迫切挑战

工业扩张与化石燃料依赖加剧了温室效应与水体污染的双重危机。其中，合成染料如罗丹明B（RhB）因含顽固的偶氮和芳香结构，难以自然降解且具有生物毒性；同时，大气中CO₂浓度攀升导致气候恶化。传统光催化材料如石墨相氮化碳（g-C₃N₄）虽具2.7-2.8 eV适宜带隙，却受限于载流子快速复合与活性位点不足；氧化铁（Fe₂O₃）尽管无毒且吸光范围宽，但存在稳定性差与铁离子溶出问题。异质结(heterojunction)构建虽能提升性能，但现有合成方法普遍面临能耗高、界面接触不均等瓶颈。

研究方案与关键技术

中国研究团队（单位见作者信息）通过一步水热法开发了Fe₂O₃/g-C₃N₄异质结光催化剂（FC-X），系统评价其双功能性能。主要技术包括：

1. 材料合成：g-C₃N₄通过520℃热缩聚法制备，Fe₂O₃采用碱液水热法生成，二者按比例水热复合形成FC-X系列。
2. 结构表征：X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）验证异质结界面形成。
3. 性能测试：可见光下RhB降解实验（180分钟）及CO₂还原产CH₄测试（气相色谱分析）。
4. 机制探究：电化学阻抗（EIS）、光致发光光谱（PL）分析电荷分离效率；自由基捕获实验鉴定活性物种。

研究结果与核心发现

1. 结构表征

XRD与TEM证实FC-8中Fe₂O₃（α相）与g-C₃N₄成功复合，界面紧密接触（图1a-b）。XPS显示Fe-N键形成，表明强电子耦合作用。

2. 光学与电化学特性

紫外可见漫反射（UV-Vis DRS）显示FC-8吸光范围拓宽至650 nm（图2a）。PL与EIS证明异质结界面显著抑制载流子复合，电荷转移电阻降低至纯组分的1/3（图2c-d）。

3. 光催化性能

• 污染物降解：FC-8对RhB的降解率（95.5%）和速率常数（7.02×10^-3 min^-1）分别是纯Fe₂O₃和g-C₃N₄的1.63倍与1.75倍（图3a）。
• CO₂还原：CH₄产率达19.72 μmol·g^-1·h^-1，较单一组分提升8.12倍（图4b）。
• 稳定性：4次循环后效率保持>90%，铁溶出量低于0.1 ppm（图3d）。

4. 反应机制

自由基捕获实验揭示：单线态氧（¹O₂）为RhB降解主导活性物种，超氧自由基（O₂^•?）与羟基自由基（^•OH）协同作用（图5a）。Z型异质结(Z-scheme heterojunction)机制促进电子-空穴对空间分离，驱动CO₂还原与污染物氧化（图6）。

结论与意义

本研究通过简易水热法构建了高效稳定的Fe₂O₃/g-C₃N₄异质结光催化剂FC-8，其核心突破在于：

1. 双功能协同：同步实现CO₂高选择性转化为CH₄（19.72 μmol·g^-1·h^-1）及顽固染料高效降解（95.5% RhB去除率）。
2. 机制创新：界面Fe-N键增强电子传递，Z型异质结机制使氧化还原反应位点空间分离，降低复合率。
3. 应用价值：工艺简易、稳定性强，为废水处理与碳减排提供了可规模化的技术路径。

该成果发表于《Environmental Research》，标志着异质结光催化剂设计向"一材多用"方向迈进，对缓解能源危机与环境污染具有重要实践意义。