植物提取物绿色合成TiO2掺杂Fe3O4/rGO纳米复合材料用于高效光降解有机染料

为解决工业染料废水污染问题，研究人员通过绿色合成法开发了TiO2掺杂Fe3O4/rGO纳米复合材料。该材料利用Moringa oleifera和Amaranthus viridis植物提取物作为还原剂，实现了99.2%的亚甲基蓝（MB）降解效率，且具备磁性回收和三次循环稳定性，为环保型废水处理提供了新策略。

　　

工业废水中的有机染料污染是环境治理的长期挑战，其中亚甲基蓝（MB）因其化学稳定性和毒性成为难降解的典型污染物。传统处理方法如吸附和化学氧化存在效率低、二次污染等问题，而半导体光催化技术虽具潜力，却受限于电子-空穴复合率高、催化剂回收困难等瓶颈。二氧化钛（TiO₂）作为经典光催化剂，需与碳材料或磁性组分复合以提升性能，但常规合成方法依赖有毒化学试剂。在这一背景下，来自印度尼西亚加查马达大学的研究团队创新性地采用植物提取物绿色合成路线，开发出兼具高效光催化活性和磁性回收功能的TiO₂-Fe₃O₄/rGO三元纳米复合材料，相关成果发表于《Carbon Resources Conversion》。

研究团队通过改良Hummers法制备氧化石墨烯（GO），并利用Amaranthus viridis（AV）叶提取物将其还原为rGO；同时以Moringa oleifera（MO）叶提取物为生物还原剂，通过共沉淀法合成Fe₃O₄纳米颗粒。最终将TiO₂掺杂至Fe₃O₄/rGO基底，制备出五种不同摩尔比（5:1:1至5:1:5）的复合材料。采用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、振动样品磁强计（VSM）等技术系统表征材料特性，并通过紫外-可见光谱评估其光降解MB的性能。

3.1 纳米复合材料特性

3.1.1 晶体结构与形貌

XRD证实复合材料中Fe₃O₄的立方晶相（ICDD 01-085-1436）和TiO₂的锐钛矿相共存，TEM显示13.6 nm的纳米颗粒均匀分布在rGO片层上。元素映射分析（EDX）验证了Fe、Ti、O、C的均匀分布，且无杂质。

3.1.2 键合分析

FTIR光谱中590 cm^-1处的Fe-O键和400-600 cm^-1的Ti-O键证实了材料成功复合。MO和AV提取物中的酚类与黄酮化合物通过C-H（2914 cm^-1）和C=C（1622 cm^-1）振动峰被识别，这些生物活性分子作为天然还原剂和稳定剂发挥作用。

3.1.3 光学与磁性能

UV-Vis显示复合材料吸收边红移，带隙能从3.45 eV（纯Fe₃O₄）增至3.79 eV（5:1:5复合物）。VSM测试表明材料保持超顺磁性，饱和磁化强度为31.5 emu/g，可通过外部磁场快速分离。

3.2 光催化性能与机制

在UV照射下，5:1:1比例的复合材料20分钟内降解99.2%的MB，优于单一组分。机理研究表明，rGO作为电子传输桥梁抑制了电子-空穴复合，而Fe₃O₄促进了羟基自由基（·OH）生成。清除剂实验证实空穴（h⁺）是主要活性物种（添加EDTA时降解率降至14.7%）。经过三次循环后，催化效率仅下降2.2%，展现了优异的稳定性。

该研究通过绿色合成策略成功构建了经济环保的磁性光催化剂，解决了传统TiO₂催化剂回收难和化学合成污染大的双重问题。植物提取物中的多酚类物质不仅替代了有毒还原剂，还通过表面修饰增强了材料稳定性。复合材料中rGO与Fe₃O₄的协同作用，为设计可回收的高效光催化系统提供了新思路，对工业废水处理的实际应用具有重要价值。研究团队Hafil Perdana Kusumah等人特别指出，这种双植物提取物策略比单一提取物体系更能优化材料性能，未来可拓展至其他难降解污染物的治理。