磁性可回收Fe3O4/BiOCl异质结光催化剂用于太阳光驱动降解罗丹明B染料的研究

本文推荐研究人员针对水体中有机染料污染问题，开展了磁性Fe3O4/BiOCl异质结光催化剂的制备及其太阳光驱动降解RhB染料的研究。通过超声法制备的催化剂在90分钟内实现100%的RhB降解，并具备优异的磁分离性和循环稳定性，为太阳能驱动的环境修复提供了高效解决方案。

　　

随着工业化的快速发展，水体中有机染料污染问题日益严重，尤其是纺织业广泛使用的罗丹明B（RhB）染料，不仅具有高毒性、高色度，还难以自然降解，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统的物理吸附方法仅将污染物从液相转移至固相，未能实现彻底降解，且可能造成二次污染。因此，开发高效、可持续的污染物降解技术成为环境领域的迫切需求。

光催化技术利用太阳能驱动化学反应，能够将有机污染物彻底分解为二氧化碳和水，是一种绿色且可持续的治理策略。然而，常用的二氧化钛（TiO₂）等传统光催化剂主要响应紫外线，对可见光的利用效率低，限制了其实际应用。铋氧氯（BiOCl）作为一种具有独特层状结构的半导体材料，在紫外光下表现出良好的光催化活性，但其宽带隙（约3.37 eV）导致对太阳光的吸收有限，且存在光腐蚀问题。另一方面，四氧化三铁（Fe₃O₄）作为一种磁性材料，具备良好的生物相容性和超顺磁性，可通过外部磁场实现催化剂的快速回收，但单独使用时催化效率较低。

为解决上述问题，研究人员通过简单的超声方法成功构建了磁性Fe₃O₄/BiOCl异质结光催化剂，并系统评估了其在太阳光驱动下对RhB染料的降解性能。该研究不仅显著提升了光催化效率，还实现了催化剂的便捷回收与循环使用，为实际废水处理提供了新思路。相关成果发表在《OpenNano》上。

研究采用了多种关键技术方法：通过溶剂热法合成BiOCl，化学沉淀法制备Fe₃O₄，并利用超声辅助路线构建二元异质结；使用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）、光致发光光谱（PL）和振动样品磁强计（VSM）对材料进行表征；在紫外灯和自然太阳光下进行光催化降解实验，通过紫外-可见分光光度法监测RhB浓度变化，并利用自由基捕获实验探讨反应机制。

3.1. 表征

XRD分析表明，BiOCl具有四方晶系结构，Fe₃O₄/BiOCl复合物保留了BiOCl的主要衍射峰，证实了异质结的成功构建。FT-IR光谱显示BiOCl的特征振动峰（如Bi–Cl伸缩振动），复合物中这些峰仍存在，但强度有所降低。SEM图像显示Fe₃O₄呈球形（约50 nm），BiOCl为微球结构（约1.86 μm），而复合物中Fe₃O₄均匀分散在BiOCl表面。EDX和元素映射证实了Fe、Bi、Cl、O元素的均匀分布。UV-vis光谱显示，复合物的吸收边红移至486 nm，带隙降至2.55 eV，表明其对可见光的吸收增强。PL光谱表明，复合物的荧光强度显著降低，说明载流子分离效率提高。BET测试显示复合物比表面积略有增加（26.4 m²/g）。XPS分析进一步验证了元素组成和化学状态。VSM测量证实复合物具有超顺磁性，饱和磁化强度为7.63 emu/g，可通过外部磁场实现快速分离。

3.2. RhB染料的去除

3.2.1. 紫外光下的去除

在紫外光照射下，Fe₃O₄/BiOCl在300分钟内实现了100%的RhB降解，其速率常数（0.0113 min^?1）分别是BiOCl和Fe₃O₄的1.2倍和13倍。对四环素（TC）的降解也表现出93%的效率，表明其广谱降解能力。

3.2.2. 太阳光下的去除

在自然太阳光下，复合物在90分钟内完全降解RhB，速率常数高达0.0378 min^?1。对TC的降解也在240分钟内达到94%，显示其在实际环境中的适用性。

3.2.3. 实验参数的影响

催化剂投加量、RhB初始浓度和溶液pH均影响降解效率。最佳条件为：催化剂50 mg，RhB浓度10 ppm，酸性条件（pH≈3）更利于反应进行。

3.2.4. 捕获剂实验

通过添加不同捕获剂，发现电子（e^?）和超氧阴离子自由基（•O₂^?）是降解过程中的主要活性物种，其速率常数较无捕获剂时降低了18.8倍。

基于能带结构分析和自由基捕获结果，提出了可能的降解机制：太阳光激发产生电子-空穴对，电子与O₂反应生成•O₂^?，进一步转化为•OH，这些活性物种攻击RhB分子，最终将其降解为CO₂和H₂O。循环实验表明，催化剂在5次使用后仍保持高活性，且结构、磁性和形貌均未发生明显变化，显示出良好的稳定性。

该研究成功开发了一种具有磁性可回收特性的Fe₃O₄/BiOCl异质结光催化剂，其在太阳光驱动下对RhB染料表现出卓越的降解性能。通过能带调控和异质结构建，有效增强了可见光吸收和载流子分离效率，同时实现了催化剂的便捷回收与循环使用。这项工作不仅为高效、可持续的环境修复提供了新材料，也为太阳能驱动的光催化技术在实际废水处理中的应用奠定了坚实基础。