无表面活性剂合成ZnFe2O4对染料污染水体的吸附、催化及光催化性能研究

《Next Nanotechnology》：Unveiling the adsorptive, catalytic and photocatalytic performance of surfactant-free synthesized ZnFe 2O 4 for dye-contaminated water treatment

　　

摘要专业翻译 本研究探讨了无表面活性剂条件下ZnFe2O4的制备，并评估了其在染料污染废水处理中的光催化活性。研究人员采用共沉淀法和水热法两种合成方法，通过XRD、SEM-EDX、TEM、气体吸附分析、XPS、VSM、UV-DRS和EIS等表征手段确定了合成方法对材料物理化学特征的影响。结果表明，水热法制备的ZnFe2O4具有更高的BET比表面积（BET specific surface area）和带隙能（band gap energy）。这些物理化学参数与其对亚甲基蓝（methylene blue, MB）去除的增强吸附能力、催化活性及光催化活性密切相关。水热法制备的ZnFe2O4通过光催化氧化（photocatalytic oxidation）实现了99.98%的降解效率，与催化湿式过氧化（catalytic wet peroxidation, CWPO）所达到的59.75%相比差异显著。研究结果表明，对无表面活性剂合成的ZnFe2O4进行额外水热处理，有助于理解物理化学特征的变化及其与功能应用的关联。

论文解读文章

一、研究背景与意义

合成染料污染废水是当前全球面临的重要环境问题之一。纺织、印染等行业排放的染料废水具有持久性强、毒性高等特点，对水生生物、环境和人体健康均构成严重威胁。高浓度染料进入水体后，会抑制光线透射、降低溶解氧含量，破坏水生生态系统平衡；对人体而言，高浓度染料暴露可引发严重的血清素毒性反应。因此，染料废水在排放前必须经过有效处理。

目前已有多种方法用于处理染料废水，包括氯化法、生物降解法、臭氧氧化法等。其中，高级氧化工艺（advanced oxidation processes, AOPs）中的催化湿式过氧化（catalytic wet peroxidation, CWPO）和光催化氧化（photocatalytic oxidation, PCO）因操作简单、效率高、成本低且环境友好而被广泛采用。然而，选择合适的高活性、可重复使用的催化剂/光催化剂仍是该领域面临的主要挑战。

尖晶石铁氧体（spinel ferrites）因其在氧化还原机制中的适用性而受到广泛研究。ZnFe₂O₄作为一种p型半导体，具有带隙窄（约1.8 eV至2.5 eV）、可见光响应能力强、固有磁性便于从处理水中分离回收等优势。然而，以往报道的ZnFe₂O₄制备方法多采用模板剂或调理剂（如乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵、三甘醇等）来构建均匀多孔结构，增加了废物产生和有害物质使用。本研究旨在探索在不使用表面活性剂和模板剂的条件下，通过水热处理（hydrothermal treatment, HT）对ZnFe₂O₄进行改性，研究其对材料物理化学性质及催化性能的影响，以期为绿色化学技术提供更简化的制备策略。

二、主要技术方法

研究人员采用共沉淀法（coprecipitation, CP）和水热法（hydrothermal, HT）两种方法制备ZnFe₂O₄。两种方法均以ZnSO₄·7H₂O和FeSO₄·7H₂O为前驱体，在室温下混合搅拌1小时后，滴加NaOH调节pH至12并继续搅拌4小时。CP法将所得沉淀直接干燥后在600°C下煅烧2小时；HT法则将混合物转移至特氟龙内衬高压釜中，在150°C下保持过夜后再进行干燥和相同条件的煅烧。产物分别标记为ZnFe₂O₄-CP和ZnFe₂O₄-HT。材料表征采用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、气体吸附分析、紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）、X射线光电子能谱（XPS）、振动样品磁强计（VSM）和电化学阻抗谱（EIS）等手段。催化性能通过CWPO和PCO处理亚甲基蓝（MB）溶液进行评估。

三、研究结果

3.1 结构特征分析

XRD分析显示，两种方法制备的ZnFe₂O₄均在2θ为29.97°、35.30°、42.89°、56.71°和62.27°处出现特征峰，分别对应（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面，与JCPDS No. 82–1042标准卡片一致，表明形成了单相立方尖晶石结构。HT法制备的样品晶粒尺寸（crystallite size）为15.14 nm，大于CP法的12.25 nm，同时具有更小的晶格参数（8.4227 ?对比8.4251 ?）和更高的X射线密度（5.360 g/cm³对比5.355 g/cm³）。HT法产生较大晶粒尺寸与其涉及的溶解、成核和生长机制有关。

3.2 织构性质分析

气体吸附分析结果表明，HT法制备的ZnFe₂O₄具有更高的BET比表面积（40.37 m2/g对比32.88 m2/g）、更大的总孔体积（0.168 cc/g对比0.096 cc/g）和更大的孔径（12.69 nm对比8.40 nm）。这些织构性质的改善有利于增强材料的吸附能力和催化活性位点的可及性。

3.3 光学性质分析

UV-DRS分析显示，HT法制备的样品具有更高的带隙能，这与其光催化性能的提升密切相关。较宽的带隙有利于光生电子-空穴对的分离，从而提高光催化氧化效率。

3.4 催化性能评估

在CWPO处理中，ZnFe₂O₄-HT和ZnFe₂O₄-CP的MB降解效率分别为59.75%和较低值。在PCO处理中，ZnFe₂O₄-HT实现了99.98%的降解效率，显著优于对照处理。研究表明，HT法制备的ZnFe₂O₄因其更高的比表面积、更大的孔径和更优的带隙结构，展现出更强的吸附能力、催化活性和光催化活性。

四、讨论与结论

研究结果表明，水热处理作为一种无表面活性剂的绿色合成策略，能够有效改善ZnFe₂O₄的物理化学性质，包括提高比表面积、增大孔径、优化带隙结构等，从而显著增强其在染料废水处理中的吸附、催化和光催化性能。该研究为理解合成方法对材料物理化学特征的影响提供了重要参考，也为开发绿色、高效的染料废水处理光催化剂提供了新思路。研究人员通过光催化氧化在ZnFe₂O₄-HT上实现了99.98%的MB降解效率，证明了该方法在实际废水处理中的巨大应用潜力。