综述：铁基纳米材料在光催化CO2还原中的应用：合成、性质与机理研究

这篇综述系统阐述了铁基磁性纳米材料（MNPs）在光催化CO2还原领域的最新进展，重点探讨了其合成策略（如共沉淀法、水热法）、性能调控（掺杂、氧空位工程）和机理研究（Z型异质结、等离子体效应），为设计高效、可磁回收的光催化剂提供了理论指导。

　　

铁基磁性光催化剂：从合成到CO₂还原应用

引言

随着全球能源危机和温室效应加剧，光催化CO₂还原技术因其能同时实现碳减排和太阳能转化而备受关注。铁基磁性纳米材料（如尖晶石型铁氧体MFe₂O₄）凭借其窄带隙（1.8-2.2 eV）、低成本及磁分离特性，成为替代传统TiO₂的理想候选者。

合成策略

铁氧体的性能高度依赖合成方法：

• 共沉淀法：操作简单但粒径控制困难，如PEI包覆的Fe₃O₄纳米颗粒（10 nm）通过表面活性剂调控可形成立方体、针状等形貌。
• 水热法：可制备高结晶度纳米材料，如空心立方MgFe₂O₄在750°C退火时氧空位浓度最高，CO产率达24.4 μmol/g/h。
• 生物合成法：利用植物提取物（如Lagenaria siceraria）制备的Fe₃O₄ NPs（30-100 nm）兼具抗菌性和抗氧化活性。

性能调控关键

1. 掺杂工程：Ce掺杂ZnFe₂O₄使带隙从1.78 eV调整至2.47 eV，CO₂吸附能力提升4倍。
2. 氧空位：Co-α-Fe₂O₃中氧缺陷作为电子陷阱，将CO选择性提高至80.2%。
3. 形貌设计：核壳结构rGO@CuZnO@Fe₃O₄通过石墨烯促进电子传输，甲醇产率达2656 μmol/g。

光催化机制与增效策略

• 异质结构建：CuFe₂O₄/TiO₂ II型异质结使甲醇产量提升3倍，因TiO₂导带（-1.03 V）与反应电位（-0.38 V）匹配。
• Z型机制：ZnFe₂O₄@Ag/TiO₂中Ag作为电子介质，实现CH₄选择性93.8%。
• 等离子体效应：Au修饰的CeO₂/Fe₃O₄通过局域表面等离子共振（LSPR）产生热电子，CO产率提升8倍。

挑战与展望

当前瓶颈包括：

1. 大规模生产的环境影响评估不足，如共沉淀法需处理离心废液；
2. 反应中间体（如*COOH/*HCOO）的动态监测技术待突破；
3. 废弃物资源化（如电子垃圾提取Fe/Co）与AI驱动的合成优化是未来趋势。

结论

铁基磁性光催化剂通过精准调控晶格缺陷、界面电荷和形貌，展现出从实验室到工业化应用的潜力。未来需结合原位表征和计算模拟，推动其在“双碳”目标下的实际部署。