燃烧控制的BiFeO3/Bi2O3/Fe3O4异质结构相工程用于增强光-芬顿催化

《Transactions of Tianjin University》：Combustion-Controlled Phase Engineering of BiFeO3/Bi2O3/Fe3O4 Heterostructures for Enhanced Photo-Fenton Catalysis

　　

摘要

通过系统改变甘氨酸-硝酸盐溶液燃烧中的燃料/氧化剂比（G/N），研究了BiFeO₃基体系的燃烧控制相工程，从而实现对相组成和功能性能的调控。燃烧条件在宽范围（G/N?=?0.2–5.0）内进行调节。单相BiFeO₃的形成被控制在狭窄窗口内（G/N?=?0.35–0.5），超出此范围则获得由Bi₂O₃、Fe₃O₄和金属Bi组成的多组分体系。综合结构和光谱分析揭示了与燃烧条件相关的主要相演化途径，其中超顺磁性组分与磁活性二次相协同作用。重要的是，BiFeO₃/Bi₂O₃/Fe₃O₄异质结构的可控形成在可见光驱动的光芬顿反应中展现出增强的催化性能。具有最优组成（G/N?=?2.2）的体系在可见光照射（λ_max = 410 nm）下，催化剂用量为2.0 mg/mL时，20分钟内实现了?99%的MB降解（0.02 g/L）（速率常数为0.1538 min^?1），优于单相体系。活性的提高归因于异质结界面上的协同电荷分离以及Fe²⁺/Fe³⁺介导的芬顿循环的促进，从而导致活性氧物种的生成增加。磁相还便于反应后的简易分离，低细胞毒性（2 mg/mL时细胞活力>80%）表明其具有高生物相容性。这些结果表明，燃烧控制是实现多组分氧化物体系相工程的有效策略，在合成条件、相组成和光芬顿过程催化性能之间建立了直接联系。