通过水热法制备的赤铁矿纳米棒用于4-硝基苯酚的光芬顿降解：形态对催化机制和环境安全性的影响

《Chinese Journal of Analytical Chemistry》：Hydrothermally Tailored Hematite Nanorods for Photo-Fenton Degradation of 4-Nitrophenol: Influence of Morphology on Catalytic Mechanism and Environmental Safety

纳米级赤铁矿棒通过不同碱热处理时间（12、24、36、48小时）制备，发现36小时处理的H.36纳米棒具有最佳形貌（纳米棒）、高比表面积（154.7 m2/g）和催化性能，可在80分钟内完全降解5 mg/L的4-NP，160分钟内实现15 mg/L的矿化，并生成CO?、H?O及硝酸根/亚硝酸根等无害产物，同时显著降低生态毒性。

　　### 造血铁矿石纳米棒在4-硝基苯酚去除中的应用研究

随着人类社会的持续发展，有害化合物的排放量不断增加，这严重威胁了生态系统的健康，对水生环境、人类健康和生态平衡造成了负面影响。4-硝基苯酚（4-NP）作为一种常见的有机污染物，广泛存在于农业和工业废水之中。由于其高度的稳定性、水中的流动性以及对传统处理方法的抵抗性，4-NP具有较强的毒性和环境持久性，其在饮用水中的存在与致癌和致突变的潜在危害密切相关。因此，4-NP被列为需要紧急处理的污染物，其对环境和人类健康的威胁日益显著。

为了解决这一问题，研究人员探索了多种高级氧化技术，如芬顿反应、声化学、电化学、光催化和光芬顿反应等，这些方法在去除有机污染物方面表现出高效性。其中，光芬顿反应因其能够在较宽的pH范围内工作、铁的使用效率高、反应产物无害且可回收等优点，被认为是处理有机污染物的有效手段。光芬顿反应通常依赖于催化剂的表面活性和氧化能力，以实现污染物的高效降解和矿化。

在本研究中，通过碱性水热处理天然红土铁矿石，合成了不同处理时间的赤铁矿纳米棒（H.12、H.24、H.36和H.48）。研究重点在于探讨处理时间对赤铁矿纳米棒结构和催化性能的影响。通过多种分析技术，如X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、氮吸附-脱附等温线以及扫描电子显微镜（SEM）等，对材料的结构、形貌、比表面积和孔隙特性进行了详细表征。结果显示，H.36表现出最佳的纳米棒形貌、最高的比表面积（154.7 m2/g）以及最优的催化性能。在0.4 g/L的H.36催化剂量下，5 mg/L、10 mg/L和15 mg/L的4-NP在80分钟、120分钟和180分钟内实现了完全氧化。矿化研究进一步验证了H.36在160分钟内能够将4-NP分子转化为安全的最终产物，如水（H?O）、二氧化碳（CO?）、亚硝酸根（NO??）和硝酸根（NO??）。

光芬顿反应的机理涉及可见光照射下催化剂表面的电子-空穴对生成，并通过氧化还原反应形成高活性的自由基，如羟基自由基（OH·）和超氧自由基（O?·?）。这些自由基对4-NP的降解起着关键作用。研究通过不同的反应条件和时间评估了H.36的催化效率，并发现其在不同浓度下的降解效率随着催化剂用量的增加而显著提高。同时，研究还探讨了H.36的可回收性，发现其在多次循环使用后仍能保持较高的催化活性，这为实际应用提供了重要的参考依据。

为了进一步理解H.36在光芬顿反应中的作用，研究人员进行了自由基捕获实验，以确定哪些活性物质在降解过程中发挥了主导作用。结果表明，羟基自由基是主要的氧化物种，其在降解过程中起到关键作用。此外，超氧自由基和光生空穴也参与了反应，但它们的贡献相对较小。这些结果表明，H.36的催化机制主要依赖于羟基自由基的生成和作用，同时也涉及铁的氧化还原循环。

研究还分析了4-NP降解过程中产生的中间产物，如对苯二酚、4-氨基苯酚、苯醌和乙酸等。这些中间产物的出现和演变揭示了4-NP在光芬顿反应中的逐步氧化分解路径。同时，研究还观察到了还原反应的路径，其中4-氨基苯酚的生成表明了可能的还原过程，但随后又被进一步氧化，最终转化为无害的产物。

在生态毒性评估方面，研究考察了不同处理时间下溶液的急性毒性和慢性毒性。结果表明，随着处理时间的延长，4-NP的毒性显著降低，尤其是在160分钟后，溶液表现出良好的生态安全性。这表明，H.36不仅能够高效降解4-NP，还能确保降解过程的安全性，为实际水处理应用提供了有力的支持。

综上所述，通过碱性水热处理合成的赤铁矿纳米棒在光芬顿反应中表现出优异的催化性能和环境安全性。H.36在不同浓度和处理时间下均能有效去除4-NP，并通过多步骤的氧化反应实现完全矿化。这一研究为处理持久性有机污染物提供了新的思路和方法，具有重要的环境和工程应用价值。