高效可磁回收的MgO-Jeanbandyite复合材料用于水环境中有害阳离子染料的稳健太阳能驱动降解

《Surfaces and Interfaces》：Highly Efficient and Magnetically Recoverable MgO-jeanbandyite Composite for Robust Solar-Driven Degradation of Hazardous Cationic Dyes in Aqueous Environment

　　

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  合成并表征了MgO-Jeanbandyite（让邦代矿）复合材料。
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  通过改变各种参数研究了MB和CV的降解情况。
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  以阳光作为光源使该降解过程更加经济环保。
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  两种染料在2小时内降解率均达到近90%。
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  光催化剂对两种染料均进行了七次降解循环实验。

引言

结晶紫（CV）和亚甲基蓝（MB）是多个重要应用领域中最广泛使用的两种染料。CV在纺织工业中被用作生物染料[1,2]。然而，研究人员表明CV具有细胞致瘤性、致癌性和致突变性。它可能对人类产生有害影响，如消化道上皮炎、皮肤刺激、呼吸窘迫、肾衰竭等。它还促进各种鱼类的肿瘤生长，并且是水生动物中的强致癌剂和染色体断裂剂。CV的附加负面影响包括水生植物光合作用活性降低、种子发芽抑制以及破坏负责生化氮循环的细菌，最终导致土壤失去肥力[1]。然而，MB有多种用途，包括作为抗菌剂和杀菌剂来阻止鱼卵中的真菌生长[3]。尽管该染料在水产养殖和染料工业中被广泛使用，但由于其在生态系统中持续存在并对受纳水环境造成危害，其使用受到限制[4]。特定程度的MB暴露与水生物种的染色体断裂、致畸性、致突变性、致癌性和生育力下降有关。它还会对动物造成伤害；例如，在大鼠中，它会在肺、乳腺、卵巢和肝脏中形成肿瘤，并影响脾脏、肾脏和心脏。此外，MB对哺乳动物细胞具有细胞毒性，对实验哺乳动物的肝脏、甲状腺和其他器官具有致癌性，并且具有遗传毒性，可能损害免疫系统和生殖系统[3]。因此，这些染料必须在工业废水排入水体之前被消除。

利用纳米颗粒和聚合物材料通过光催化降解和吸附过程处理这些废液的方法已获得显著关注[[5], [6], [7], [8]]。反渗透、电凝聚、过滤、蒸发、膜分离和化学沉淀是最常用的处理技术之一。然而，限制其广泛采用的主要障碍是所需时间、经济成本和操作复杂性。与其他方法相比，利用太阳能照射和光催化剂在水系统中降解染料污染物是一种简单而高效的过程[[9], [10], [11], [12], [13]]。阳光是一种可靠且环保的能量来源，可用于各种任务。利用太阳辐射处理废水的主要优势在于它避免了二次废物的产生，使处理后的水可直接用于各种用途。

钙钛矿氧化物近年来成为研究热点，其通用化学式为ABO₃，其中A为稀土、碱金属或碱土金属，B为过渡金属[14]。由于其卓越的结构、电学、光学、表面和磁性性能，钙钛矿最近已被广泛应用于各种关键领域，包括传感器、能源生产、储能、光/电子器件和催化。钙钛矿本身的特性，如卓越的水稳定性、丰富的氧空位、可编程电子结构和形态，近年来吸引了许多研究者的关注[15]。窄禁带和宽禁带氧化物材料在钙钛矿形式下的光催化活性可通过其结构加以改善。钙钛矿氧化物是一类引人注目的可见光光催化材料。已有报道利用钙钛矿降解有机化合物，例如使用LaNiO₃纳米复合材料去除罗丹明B和甲基橙染料[16]。锰基钙钛矿已被用于降解一系列染料[17]。多个研究小组探索了ZnTiO₃、SrTiO₃、BaTiO₃、NiTiO₃和CoTiO₃等钙钛矿材料的光催化染料降解活性[17,18]。氢氧化物钙钛矿是钙钛矿家族的一个子类，研究相对较少。让邦代矿是一种氢氧化物钙钛矿，具有超顺磁性[19,20]。值得注意的是，只有少数钙钛矿具有超顺磁性，让邦代矿就是其中之一[19,[21], [22], [23]]。这些超顺磁材料在降解过程中具有优势，因为它们可以通过外部磁铁轻松分离。因此，让邦代矿可被认为是最适合染料降解的光催化剂之一。

许多金属氧化物（如TiO₂、ZnO、Fe₂O₃和WO₃）无毒、活性高、化学性质稳定且价格便宜，已被用作染料降解的光催化材料。这些材料的催化机理也得到了研究。近年来，氧化镁（MgO）因其独特的理化性质、低毒性和成本效益而在催化、电子和生物医学等各种应用中受到关注。研究人员曾尝试将MgO用作光催化剂来降解水溶液中的各种染料[24]。本研究介绍了通过MgO改性让邦代矿合成的一种新颖的低成本磁性材料，用于水体的染料去除。所合成的MgO–让邦代矿复合材料进行了物理和化学表征，并从降解动力学、pH值、投加量和可回收性方面评估了其在染料去除中的应用效果。此前，尚无具有超顺磁性的氢氧化物钙钛矿复合材料被用于染料降解。在此首次将超顺磁性氢氧化物钙钛矿，即让邦代矿和MgO复合材料用于染料降解。超顺磁性有助于光催化剂在降解后从介质中回收，这有利于复合材料的循环利用，使其成为该领域中最优秀的材料之一。此外，其高稳定性和成本效益使其成为光催化领域的有前景的候选材料。本研究通过引入第一种可磁回收的氢氧化物钙钛矿复合材料，即MgO–让邦代矿，用于光催化染料降解，在表面科学领域取得了重大进展。它解决了氢氧化物钙钛矿领域中磁回收性和光催化活性尚未得到充分探索的重要空白。其新颖性在于通过MgO改性改变表面化学性质，从而诱发结构缺陷、增加晶格畸变并增强表面羟基和化学吸附氧物种，这些直接驱动了光催化性能。在本研究中，我们通过结合缺陷丰富的表面、可及活性位点、太阳能驱动光催化和超顺磁可回收性，报告了一个用于废水处理的独特多功能平台。因此，本工作将表面和缺陷特性与光催化功能和催化剂可回收性整合在一起。

章节摘要

化学品和试剂

本研究中使用的全部化学品和试剂均为分析纯（AR）级别或按规格要求。无水氯化铁（FeCl₃）、氯化锡（SnCl₂）、六水硝酸镁（Mg(NO₃)₂.6H₂O）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、亚甲基蓝（MB）和结晶紫（CV）均购自印度Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd.（SRL）。使用去离子水（DW）配制溶液和清洗玻璃器皿。对于实际水实验，水

MgO-让邦代矿复合材料的合成

MgO-让邦代矿复合材料的合成通过共沉淀法结合机械混合来实现，已使用多种技术进行了描述，其中大多数需要惰性气氛，有时还需要高温。MgO-让邦代矿复合材料在室温下合成，无需惰性气体气氛和高温。此外，使用了NaOH溶液，使合成过程比其他已报道的方法更加环保，这得益于

结论

本研究合成了一种独特的MgO–让邦代矿复合材料，并评估了其作为有效的光驱动光催化剂用于降解有害染料CV和MB的性能。通过结构、形貌和光谱学研究证明，该复合材料具有稳定的氢氧化物钙钛矿基结构、超顺磁行为和适合光催化应用的带隙（3.1 eV）。在自然阳光下，该复合材料表现出卓越的光催化活性，

作者贡献

Subhadeep Sen：概念构思、形式分析、方法学、原稿撰写。Sourav Ghosh、Unnati Bora和Bhagat Singh：形式分析和表征。Prasanta Ghosh：形式分析、表征和学术指导。Abdelhadi El Hachmi：形式分析、原稿撰写。Lakshi Saikia：学术指导、调查研究、审阅和编辑。Goutam Biswas：概念构思、形式分析、学术指导、调查研究、撰写、审阅和编辑。

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作者声明不存在竞争性经济利益。

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CRediT作者贡献声明

Subhadeep Sen：原稿撰写、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。Sourav Ghosh：方法学、调查研究、形式分析。Unnati Bora：调查研究、形式分析、数据整理。Bhagat Singh：调查研究、形式分析。Prasanta Ghosh：原稿撰写、学术指导、方法学、资金获取。Abdelhadi El Hachmi：审阅与编辑、验证、学术指导、形式分析。Lakshi Saikia：原稿撰写，

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

GB和SS感谢UGC-DAE Kalpakkam中心和Sujay Chakravarty博士（G级科学家）对样品进行了AFM分析。

Subhadeep Sen|Sourav Ghosh|Unnati Bora|Bhagat Singh|Prasanta Ghosh|Abdelhadi El Hachmi|Lakshi Saikia|Goutam Biswas