钴掺杂Bi2Fe4O9微晶高效活化过一硫酸盐可见光催化降解RhB的研究

针对有机污染物降解效率低的问题，研究人员通过水热法合成钴掺杂Bi2Fe4O9(BFCO)微晶，实现了可见光下过一硫酸盐(PMS)高效活化降解RhB。BFCO-3样品表现出最优性能(30分钟降解率98.2%，动力学常数0.137 min-1)，其窄带隙(1.75 eV)和丰富Fe2+/Ov缺陷显著提升催化活性，同时增强的铁磁性便于磁回收，为废水处理提供新策略。

　　

随着工业发展，染料、抗生素等有机污染物对水体的危害日益严重。传统光催化技术因电荷复合率高、氧化能力有限等问题，难以满足实际需求。近年来，过一硫酸盐(PMS)活化与光催化的协同体系因其能产生强氧化性硫酸根自由基(SO₄^-•)而备受关注。然而，开发兼具高效PMS活化能力、可见光响应和易回收特性的催化剂仍是重大挑战。

浙江大学硅材料国家重点实验室的研究人员创新性地采用水热法制备了钴掺杂Bi₂Fe₄O₉(BFCO)微晶催化剂。这种具有明确晶面的材料不仅将罗丹明B(RhB)的降解效率提升至98.2%(30分钟)，其增强的铁磁性更实现了催化剂的磁回收。相关成果发表在《Materials Research Bulletin》上，为废水处理提供了新材料解决方案。

研究采用水热合成法制备系列BFCO样品，通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征结构形貌，紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)测定能带结构，振动样品磁强计(VSM)分析磁性能，并系统评估了可见光(λ>420 nm)下PMS活化降解RhB的效能。

形貌与结构调控

SEM显示原始Bi₂Fe₄O₉呈10-20 μm棒状结构，钴掺杂后转变为立方体形貌。XRD证实所有样品均为纯相，钴成功进入晶格。这种形貌调控暴露出更多活性晶面，为PMS活化提供丰富位点。

光学与磁学特性

UV-Vis显示BFCO-3带隙窄至1.75 eV，较未掺杂样品(2.0 eV)显著拓宽可见光响应范围。VSM测试表明钴掺杂使饱和磁化强度提升3倍，实现高效磁分离。

催化性能突破

在可见光/PMS体系中，BFCO-3表现出0.137 min^-1的动力学常数，是纯样品的4.6倍。机理研究表明：1)钴掺杂促进Fe³⁺/Fe²⁺循环；2)产生的氧空位(O_v)加速电子转移；3)窄带隙增强光生载流子分离，三者协同提升PMS活化效率。

该研究通过精准的钴掺杂策略，同步解决了光催化剂面临的三大难题：可见光利用率低、电荷复合率高、回收困难。BFCO微晶兼具高效降解性能(98.2%/30分钟)和优异磁回收特性，其1.75 eV的窄带隙设计为开发新型可见光催化剂提供了重要参考。特别值得注意的是，该工作首次揭示了钴掺杂对Bi₂Fe₄O₉晶体形貌的调控规律，为多铁性半导体在环境修复中的应用开辟了新途径。