CoFe2O4@g-C3N4纳米复合材料高效光催化降解靛蓝胭脂红染料的研究

针对工业废水中有机染料污染难题，Osamah Aldaghri团队通过绿色合成法制备CoFe2O4@g-C3N4异质结光催化剂，实现可见光下60分钟内靛蓝胭脂红(IC)100%降解。该研究通过S-型机制显著提升载流子分离效率，为磁性可回收光催化剂设计提供新思路。

　　

随着纺织、化妆品等行业快速发展，含有靛蓝胭脂红(Indigo Carmine, IC)等染料的工业废水已成为严峻的环境问题。这些有机污染物不仅难以自然降解，还会对水生生态系统和人类健康造成长期危害。虽然吸附、生物降解等传统水处理技术已被广泛应用，但半导体光催化技术因其能直接将污染物矿化为CO₂和H₂O的特性，被视为最具前景的解决方案之一。然而，现有光催化剂普遍存在可见光响应弱、载流子复合率高、回收困难等瓶颈问题。

针对这些挑战，来自沙特阿拉伯伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学的Osamah Aldaghri研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表创新成果。研究人员巧妙结合磁性钴铁氧体(CoFe₂O₄)与石墨相氮化碳(g-C₃N₄)，通过生态友好的茴芹提取物辅助溶胶-凝胶法制备出CoFe₂O₄@g-C₃N₄纳米复合材料。这种新型异质结不仅解决了传统催化剂回收难题，还通过能带工程将光响应范围扩展至可见光区，为高效可回收光催化剂设计提供了全新思路。

研究采用多项关键技术：X射线衍射(XRD)确认复合材料晶体结构，紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定能带结构，光致发光光谱(PL)分析载流子分离效率，X射线光电子能谱(XPS)表征表面化学状态，氮气吸附-脱附测试(BET)评估比表面积，并结合透射电镜(TEM)观察纳米结构形貌。光催化实验采用300W LED可见光源，通过分光光度法监测IC在618nm处的浓度变化。

研究结果揭示：

1. 1.

   纳米结构表征：XRD证实复合材料成功保留CoFe₂O₄尖晶石结构和g-C₃N₄层状特征，晶粒尺寸约29nm。FTIR显示597cm^-1处Fe-O键特征峰，证实磁性组分存在。

2. 2.

   光学性能优化：复合材料将g-C₃N₄的间接带隙从2.82eV降至2.33eV，PL强度降低表明载流子复合显著抑制。BET测试显示比表面积提升至58.727m²/g，为活性位点暴露创造条件。

3. 3.

   光催化性能：在pH=6、50mg催化剂用量条件下，60分钟内实现IC完全降解，速率常数(0.0662min^-1)是单一组件的2-3倍。自由基捕获实验证实·O₂^-和·OH是主要活性物种。

4. 4.

   循环稳定性：经过4次循环后仍保持88.7%降解率，磁性回收特性解决了催化剂分离难题。

通过能带结构分析和实验验证，研究提出S-型异质结机制：g-C₃N₄的导带电子(-1.30eV)还原O₂生成·O₂^-，而CoFe₂O₄的价带空穴(+2.915eV)氧化H₂O产生·OH，界面电场有效促进载流子空间分离。这项工作不仅开发出性能优异的磁性光催化剂，更通过绿色合成路线和S-型机制设计，为环境污染治理提供了兼具科学价值和应用前景的解决方案。其创新性体现在：①首次采用茴芹提取物控制CoFe₂O₄纳米颗粒分散性；②通过能带调控实现可见光全谱响应；③建立磁性组分与碳基材料的协同作用机制，为后续环境功能材料开发提供重要参考。