镁离子部分取代反尖晶石结构Fe3O4/C纳米复合材料的协同光电催化与储能性能研究

本研究针对环境修复与能源存储的双重需求，通过共沉淀法构建镁(Mg)和还原氧化石墨烯(rGO)共掺杂的Fe3O4纳米复合材料(FMR-NCs)。该材料在光催化降解刚果红(CR)染料中展现90%的降解效率，同时作为超级电容器电极实现787.35 F g?1的高比电容和8000次循环稳定性，为多功能纳米材料设计提供新思路。

　　

在全球能源转型与环境污染治理的双重挑战下，开发兼具高效光催化与电化学储能功能的材料成为研究热点。传统过渡金属氧化物虽具有成本优势，但面临光生载流子复合率高、比表面积有限等问题。针对这一科学难题，挪威高等教育与技能管理局(UTF-2024/10400项目)资助的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表创新成果，通过精准调控Fe₃O₄的电子结构，构建出镁-rGO共掺杂纳米复合材料，实现环境修复与能源存储的协同优化。

研究采用共沉淀法合成四类材料：纯Fe₃O₄(F)、镁掺杂(FM)、rGO掺杂(FR)及双掺杂(FMR)。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和比表面积测试(BET)等表征手段，证实Mg²⁺取代可调节带隙宽度，rGO引入显著提升材料导电性与活性位点密度。光催化实验选用刚果红染料模拟污染物，电化学测试采用三电极体系与对称器件评估性能。

【Structural analysis】部分显示，FMR-NCs保持立方尖晶石结构(ICDD 01-084-2782)，Mg掺杂使(311)晶面衍射峰偏移0.38°，表明晶格畸变；rGO的引入使比表面积提升至传统Fe₃O₄的3.2倍，为反应提供更多活性位点。

【Conclusion】揭示双掺杂的协同机制：Mg²⁺通过Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对增强赝电容效应，rGO二维网络促进电子传输，使FMR-NCs在1 A g^?1电流密度下获得787.35 F g^?1的超高比电容。光催化方面，rGO作为电子受体将载流子复合率降低67%，配合Mg调变的能带结构，使太阳光下CR降解率达90%。组装的对称超级电容器展现18.88 Wh kg^?1的能量密度和8000次循环后92%的容量保持率。

该研究创新性地将半导体能带工程与碳材料复合策略结合，不仅为设计"一材多用"型纳米复合材料提供范式，更推动废水处理-能源存储集成系统的发展。特别是Mg-rGO协同作用机制为过渡金属氧化物改性研究开辟新方向，其简易的共沉淀合成方法具有工业化应用潜力，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的清洁水源与廉价能源具有双重意义。