磁分离可回收α-Fe?O?/Bi?WO?光催化剂的简便合成及其在高效可见光光催化降解双酚A与染料混合物及光电化学分解水中的应用潜力

《Materials Science and Engineering: B》：Facile synthesis of magnetically retrievable α-Fe 2O 3/Bi 2WO 6 photocatalyst for efficient visible-light Photocatalysis of bisphenol-a and dye mixture with potential for PEC water splitting

　　

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  通过机械混合法合成的可磁回收α-Fe₂O₃/Bi₂WO₆异质结构。
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  II型异质结增强了电荷分离和光吸收。
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  在可见光照射下实现了罗丹明B、双酚A和混合染料的快速降解。
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  软磁性行为使其易于回收，并可稳定循环使用五个周期。
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  增强的光电流响应表明其在水处理和水分解方面具有潜力。

引言

人口快速增长、工业化和城市化显著增加了全球能源需求和废水产生量，带来了重大环境挑战[1]。利用半导体光催化剂（PC）和太阳能进行人工光合作用为有机污染物降解和水分解产氢提供了一条有前景的途径。然而，由于太阳光利用率低、光生载流子快速复合、电荷传输效率低以及光催化反应活性面积有限，实际应用仍然受到限制[2]、[3]。淡水资源是人类生存必不可少的资源；然而，人口快速增长、区域分布不均以及人均需求增加使得其可用性日益受到挑战，引发了对未来水资源短缺的担忧[4]、[5]、[6]。同时，危险有机污染物的排放，特别是来自印染等行业的大量染料，导致水体严重污染，对环境和人类健康构成重大风险[7]、[8]。

工业废水，特别是来自纺织制造的废水，通常含有大量染料分子[9]、[10]。它们是有机污染物的主要贡献者，造成了相当严重的环境和健康危害[11]、[12]。同样，双酚A（BPA）是塑料工业中广泛使用的原料，是众所周知的内分泌干扰物，会影响生殖健康。其毒性已被证实与各种健康问题有关，如人类的不孕症、癌症、遗传性疾病和高血压[13]、[14]、[15]、[16]。纳米技术在医学中应用广泛，如药物递送、癌症治疗和新抗菌治疗方法开发[17]、[18]。纳米技术的最新进展为水净化提供了有前景的解决方案，其中异质光催化因其能够在温和条件下将有机污染物降解为无害的无机产物而备受关注[19]、[20]。因此，异质光催化作为一种高级氧化工艺（AOP），为降解受污染水中酚类和染料等有毒污染物提供了一种有效方法[11]、[21]。

为了满足环境修复和可再生能源生成的日益增长的需求，开发高效光催化剂（PC）并探索协同工艺以改善其整体性能至关重要。新型PC的开发引起了广泛的兴趣。其中，钨酸铋（Bi₂WO₆）是一种典型的n型材料，据报道其带隙约为2.8 eV[22]、[23]。本研究观察到略低的带隙（2.70 eV），与文献报道一致，可归因于与合成相关的影响因素[23]、[24]。由于其相对较窄的带隙和高化学稳定性，它引起了广泛的研究兴趣，用于可见光驱动的污染物光降解[24]。然而，从处理后的废水中回收PC仍然是一个重大限制。这一问题可以通过采用基于磁性纳米粒子的复合材料来解决。铁氧化物纳米粒子，特别是α-Fe₂O₃，表现出强磁性，由于其广泛应用而备受关注，包括医学和环境修复领域的应用，如磁共振成像、组织修复、药物递送、生物流体解毒以及从废水中去除有毒重金属离子[18]、[25]。此外，α-Fe₂O₃具有2.2 eV的窄带隙，因其宽广的光吸收能力以及环境相容性好、自然丰度高、成本低廉和固有磁性等优势，作为光催化剂引起了显著关注[16]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。

因此，将α-Fe₂O₃与Bi₂WO₆结合可被视为一种增强光催化性能的有效方法，通过改善可见光吸收和促进异质结形成来改善光致载流子的分离。这延长了光生电子-空穴对的寿命，降低了它们的复合率，从而增强了光催化活性[31]、[32]。此外，α-Fe₂O₃的磁性使其能够从处理后的水中方便地回收PC，克服了非磁性系统可回收性的局限性。此外，将其整合入光电化学（PEC）系统用于可持续产H₂的潜力突出了其多功能能力。这种双重功能使α-Fe₂O₃/Bi₂WO₆异质结构能够同时支持环境修复和可再生能源生成，凸显了其在应对当代环境和能源挑战中的重要性。

本研究通过简单的机械混合方法制备了可磁分离的α-Fe₂O₃掺杂Bi₂WO₆纳米粒子。利用XRD、拉曼光谱、UV-Vis、PL、FESEM、TEM、EDS、XPS、VSM、Mott-Schottky、BET和PEC测量等技术对所制备材料进行了全面表征，以了解其结构、组成、光学和电子性质。通过汞灯照射降解罗丹明B（RhB）、双酚A（BPA）和染料混合物（RhB+MO+MB）观察了样品的光催化降解效率。合成的α-Fe₂O₃掺杂Bi₂WO₆显示出增强的快速污染物降解能力，同时具有磁回收可重复使用的优势，以及有利于PEC水分解的电子结构。本研究提出了一种环境友好的方法，用于合成高效的异质结构光催化剂以降解染料，同时解决了PC回收的关键问题。所开发的材料也为可持续废水处理和PEC水分解应用提供了有前景的策略。

章节摘要

试剂

硝酸铋五水合物（Bi(NO₃)₃•5H₂O）、钨酸钠二水合物（Na₂WO₄•2H₂O）、氯化铁（FeCl₃）、尿素（CO(NH₂)₂）、乙二醇（C₂H₆O₂，99.8%）、罗丹明B、亚甲基蓝、甲基橙和双酚A，均为分析纯级，购自印度孟买S. D. Fine Chem.有限公司，收到后直接使用。

催化剂制备

磁性α-Fe₂O₃掺杂Bi₂WO₆光催化剂通过简单的超声辅助机械混合方法制备，使用此前合成的Bi₂WO₆[24]和磁性α-Fe₂O₃[27]。在典型合成中，称取一定量的Bi

结构分析

图1(a)所示的XRD图谱展示了纯Bi₂WO₆、纯α-Fe₂O₃以及含有不同Fe₂O₃含量（5FBW、10FBW和15FBW）的α-Fe₂O₃掺杂Bi₂WO₆纳米粒子的衍射图谱。原始Bi₂WO₆的衍射峰与正交晶相（JCPDS编号：39-0256）高度吻合，在'2θ'=28.22°、32.73°、46.01°、55.76°、58.47°、68.73°、75.89°和78.22°处表现出特征反射，可分别归属于(131)、(200)、(202)、(133)、(262)、(400)、(102)和(204)晶面，

结论

本研究通过超声辅助机械混合方法成功合成了可磁回收的α-Fe₂O₃/Bi₂WO₆光催化剂。XRD分析证实α-Fe₂O₃均匀地整合入Bi₂WO₆晶格中，未破坏其正交晶体结构，而诱导的晶格应变、减小的晶粒尺寸和增加的缺陷密度促进了电荷分离和光吸收的改善。形态学分析（FESEM和

CRediT作者贡献声明

Gopika Rajan：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、软件、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。Vrishali N. Jadhav：撰写—审阅与编辑、软件、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理。Rukhsar Bi Neamat Momin：撰写—审阅与编辑、软件、方法学、形式化分析。Rohidas B. Kale：撰写—审阅与编辑、可视化、验证、指导、形式化分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度科学技术部在DST-FIST（SR/FST/PSI-173/2012）项目下的支持。部分报告工作（表征）在印度理工学院孟买分校（IITB）的IITBNF研究中心完成，该中心由印度信息技术和通信部（MeitY）资助的INUP-i2i项目支持。

生成式AI及AI辅助技术写作声明

在准备本作品期间，作者使用了Quillbot和ChatGPT进行写作重组。在使用该工具/服务后，作者对所生成的内容进行了审查和编辑，并根据需要进行修改，对出版物内容承担全部责任。

Gopika Rajan|Vrishali N. Jadhav|Rukhsar Bi Neamat Momin|Rohidas B. Kale