《Dyes and Pigments》：Enhanced Visible-Light-Driven Degradation of Binary Dye Mixtures over Cr-Doped CuO Nanostructures: A Comprehensive Kinetic and Mechanistic Study
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•通过简便的共沉淀法合成Cr掺杂的CuO纳米粒子•铬掺杂将光学带隙从2.7 eV降低至2.0 eV•Cr-CuO在可见光下实现了90%的结晶紫降解率•二元染料体系中存在竞争性吸附，导致降解效率降低•HPLC证实染料被矿化为低分子量产物引言合成染料是工业水污染的主要来源，这主要
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通过简便的共沉淀法合成Cr掺杂的CuO纳米粒子
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铬掺杂将光学带隙从2.7 eV降低至2.0 eV
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Cr-CuO在可见光下实现了90%的结晶紫降解率
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二元染料体系中存在竞争性吸附，导致降解效率降低
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HPLC证实染料被矿化为低分子量产物
引言
合成染料是工业水污染的主要来源，这主要归因于其持久性、高溶解度和结构复杂性，使其难以通过传统生物处理工艺去除。据估计，目前市面上约有10,000种商业染料，其中大部分广泛用于陶瓷和纺织行业（Islam等，2023）。在这些染料中，偶氮染料（含一个或多个–N=N–发色团）是最大的结构类别，其应用范围远超纺织领域，包括比色传感（Zhang等，2026）。仅纺织行业就贡献了染料污染中不成比例的高比例，据估计，全球合成染料总消耗量中有20-30%以未经处理或处理不当的废水形式排入天然水体（Borker & Salker, 2006; Konstantinou & Albanis, 2004）。许多染料本身具有毒性、致突变性和致癌性，不仅对水生生态系统构成严重威胁，还会通过食物链中的生物富集对人类健康造成危害（Mohammad等，2016）。
针对这些环境问题，人们探索了包括生物、物理和化学方法在内的一系列修复技术，用于去除水中的染料污染物（Date & Jaspal, 2024）。用于选择性分子转化的催化策略在能源和环境应用中持续发展（Tian等，2026）。在这些策略中，基于半导体的 heterogeneous 光催化被认为是一种特别有吸引力的方法，因为它能够利用光作为主要能源，将染料污染物矿化为环境友好的终产物（主要是CO2和H2O）（Bhattacharjee等，2024; Xu等，2025）。除了染料去除之外，工程纳米结构催化剂和MOF衍生催化剂也被开发用于其他环境目标，包括CO2捕获（Liu等，2026）以及气态污染物（如甲醛）的催化分解（Wang等，2019）。纳米技术的快速发展进一步催生了对纳米粒子基光催化剂的兴趣，与体材料相比，纳米粒子基光催化剂表现出更优异的性能，这归因于其极高的比表面积、可调的电子性能和增强的反应活性（Astruc等，2005）。
由于其极小的尺寸和较大的表面积，纳米粒子（NPs）被广泛应用于各种领域（Sharma等，2015）。氧化铜（CuO）是一种p型半导体，由于其优越的光电性能、丰富的地球元素组成以及在气体传感、太阳能转换和无机-有机纳米复合材料合成等领域的多功能性，引起了科学界的广泛关注（Maria等，2026; Sibhatu等，2022）。过渡金属掺杂已被证明是进一步调控CuO带隙并增强可见光光催化性能的有效策略。这种通过调控电子结构和形貌来提升活性的掺杂策略在催化体系中已得到广泛确立，从用于气态污染物去除的铜掺杂配方（Zeng等，2026）到铁掺杂电催化剂（Chang等，2026）。铜及其化合物被广泛应用于各种工业过程，从火法冶金提取和精炼（Wang等，2024）到用于微电子互连的电化学沉积（Jin等，2026），这凸显了该元素的广泛技术适应性，而本文所用的氧化物半导体正是其众多应用面向之一。
虽然单染料体系的光催化降解在文献中已被广泛研究（Aguedach等，2005; Zhao等，2005），但实际工业废水中的污染物通常是包含多种染料同时存在的复杂多组分体系。二元或多染料体系中染料的光催化行为比单染料体系复杂得多，原因在于竞争性吸附、内滤效应以及复杂的染料-染料和染料-催化剂相互作用（Saeed等，2022）。尽管这类体系具有实际重要性，但关于二元和多染料体系光催化去除的现有文献仍相对有限（Andronic & Duta, 2012; Fernández等，2010），在竞争性环境中结构不同染料的优先吸附和差异化降解速率的机理理解方面存在显著的知识空白。
本研究旨在填补这一空白，通过使用未掺杂CuO和Cr掺杂CuO（Cr-CuO）纳米粒子作为光催化剂，在可见光照射下研究结晶紫（CV，一种阳离子三苯甲烷染料）和甲基橙（MO，一种阴离子偶氮染料）二元水混合物的光催化降解。本研究的主要优势，也是其新颖性所在，在于聚焦于二元染料混合物的降解，相比传统单染料模型，能够更真实、准确地反映实际工业废水的情况。本研究考察了染料浓度、温度和催化剂组成对降解效率的影响。此外，还确定了控制降解过程的动力学参数，并通过高效液相色谱（HPLC）分析对光降解产物进行了表征。
章节摘要
材料
合成CuO纳米粒子所用所有化学品均为分析纯级别，未经进一步纯化直接使用。结晶紫（CV）、甲基橙（MO）和氢氧化钠（NaOH）购自Sigma-Aldrich公司。硝酸铜[Cu(NO3)2·9H2O]和硝酸铬[Cr(NO3)3]同样为分析纯级别。
仪器设备
抗生素的浓度采用岛津UV-1800（240V）紫外-可见分光光度计进行测量。对晶体框架、相均匀性和表面形貌的评估
扫描电子显微镜（SEM）分析
使用SEM考察了合成纳米结构的表面形貌和拓扑特征。未掺杂CuO和Cr掺杂CuO纳米粒子的SEM显微照片如图1(a, b)所示。图像显示，未掺杂和掺杂样品均主要呈现球形形貌，且分布相对均匀。粒子表面光滑，表明在共沉淀合成过程中具有良好可控的生长过程。尽管存在一些证据
结论
本研究通过简便的共沉淀技术成功合成了CuO和Cr-CuO纳米粒子。表征结果表明，铬的引入有效地将单斜单斜矿晶格中的光学带隙从2.7 eV降低至2.0 eV，并将比表面积从127 m2/g增加至133 m2/g，从而显著增强了光捕获能力，并为污染物吸附提供了更多活性位点。可见光下的光催化评价
CRediT作者贡献声明
Ejaz Ahmad：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查研究，概念构思。Falak Naz：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，指导，资源，项目管理，方法学，调查研究，形式分析，概念构思。Mostafa A. Abdel-Maksoud：撰写——审稿与编辑，验证，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。Waed Alahmad：
数据可用性声明
本研究提出的原始贡献已包含在正文和补充材料中。如需进一步了解，请联系通讯作者。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢Bacha Khan大学（Charsadda）提供的支持。本研究由沙特阿拉伯利雅得King Saud University的研究资金项目（ORF-2026-1777）资助。
Falak Naz|Ejaz Ahmad|Muhammad Naeem Khan|Nasser S.S. Ben-Qasem|Waed Alahmad|Mostafa A. Abdel-Maksoud|Saeedah Almutairi|Ahmed Othman Alsabih|Mohammed Aufy
