具有优异甲基蓝降解光催化性能的可见光响应Sr掺杂Fe2O3/石墨烯纳米片

《Polyhedron》：Visible-light-responsive Sr-doped Fe 2O 3/graphene nanosheets with superior photocatalytic performance toward methylene blue degradation

　　

摘要

可见光（VL）驱动的光催化剂，具有增强的载流子（CC）分离能力和高稳定性，对于高效去除废水中的有机污染物具有重要的应用价值。本研究采用两步共沉淀和水热法制备了石墨烯含量分别为0.5、1.0和1.5 wt%的Sr掺杂Fe₂O₃/石墨烯纳米片（SF-G）纳米复合材料。样品通过XRD、拉曼光谱、SEM结合EDX、紫外-可见光谱、PL和EIS分析进行了系统表征。结构表征确认了结晶赤铁矿的形成，而拉曼分析验证了含石墨烯复合材料的形成。光学研究表明，Sr掺杂和石墨烯引入均增强了可见光吸收并降低了光生载流子（PCC）的复合。在所有合成的光催化剂中，SF-1G纳米复合材料在120分钟内表现出最佳降解性能，降解率达96%，反应速率常数（k）为0.0264 min^?1。优化后的催化剂用量和初始染料浓度分别为0.8 g L^?1和20 mg L^?1。此外，SF-1G光催化剂在八次循环后仍保持88%的效率，显示出卓越的稳定性和可重复使用性。这些结果表明，Sr掺杂和石墨烯纳米片的协同组合有效改善了Fe₂O₃（FeO_X）的结构和光学性能，为废水处理应用提供了一种有前景的可见光响应光催化材料。

引言

工业和城市化发展的加速导致危险的有机污染物持续排放到水体中，造成了严重的环境挑战，并增加了人类健康的风险[1]、[2]、[3]。含有合成染料的工业废水，特别是来自纺织、皮革、造纸、制药和印刷行业的废水，因其高化学稳定性、复杂的分子结构以及对常规生物处理过程的抗性，成为重大的环境问题[4]、[5]、[6]。亚甲基蓝（MB）作为一种众所周知的阳离子有机染料，由于其高稳定性、强着色性和在废水中的持久性，被广泛用作评估半导体光催化性能（PCP）的模式有机污染物[7]、[8]、[9]。即使微量存在MB也会限制光线穿透水体，干扰水生光合作用，长期接触还可能引起刺激、呼吸障碍及其他健康并发症[10]、[11]。因此，大量研究工作致力于开发可持续、高效的能消除废水中染料污染物的技术，以应对环境污染问题[12]、[13]。

在现有的废水处理方法中，半导体光催化作为一种有前景的策略脱颖而出，因为它能够在光照条件下将有机污染物完全矿化为无害产物，且不会产生二次污染[14]、[15]、[16]。与传统处理方法不同，光催化利用太阳能产生高活性氧物种（ROS），能够氧化持久性污染物[17]、[18]、[19]。光催化环境治理的最新进展强调了合理设计半导体界面和电荷转移路径对于高效去除有机污染物的重要性。Z型光催化剂已显示出增强的电荷分离能力和强氧化还原能力，可用于降解有机污染物[20]。同时，共价有机框架基复合材料因其可调结构、大比表面积和良好的电荷传输特性，成为废水净化的有前景的光催化材料[21]。最近，高级异质结构光催化剂进一步凸显了高效界面电荷迁移和活性物种产生对于增强污染物降解的重要性[22]、[23]。

包括TiO₂、ZnO、WO₃、BiVO₄、CdS和Fe₂O₃在内的众多半导体材料已被研究用作环境净化的光催化剂[24]、[25]、[26]。其中，赤铁矿（FeO_X）由于其窄带隙（2.0–2.2 eV）、地壳丰度高、成本低、无毒以及在可见光区域的强吸收，成为一种有前景的可见光响应半导体[27]、[28]。这些优异特性使FeO_X成为在太阳辐射下光降解有机污染物的潜在候选材料[29]、[30]。然而，赤铁矿的实际光催化性能仍然有限，原因在于其电导率低、PCC严重复合以及载流子扩散长度相对较短，这些都限制了吸收光子的有效利用[31]、[32]。

为克服这些限制，大量研究工作集中于通过元素掺杂和构建半导体基复合材料来改性FeO_X[33]、[34]。将合适的金属离子引入赤铁矿晶格可以有效调控其晶体结构和电子性质，从而提高可见光吸收并促进载流子迁移[35]、[36]。在各种碱土金属中，锶（Sr²⁺）引起了越来越多的关注，因为其较大的离子半径可以引起晶格畸变并改变FeO_X的局部电子环境[37]、[38]。这些结构改性有助于增强光吸收、降低PCC复合，并促进优越的光催化性能[39]。然而，尽管金属离子掺杂可以改善FeO_X的本征性质，但半导体内部的电荷传输仍不足以实现高效的光催化[40]、[41]。因此，将金属掺杂与导电碳基材料相结合已成为进一步增强光催化性能的有效策略[42]。在这些材料中，石墨烯纳米片（GNS）由于其异常高效的电荷传输、大比表面积、优异的结构稳定性和二维共轭结构，成为光催化系统中最具吸引力的碳材料之一[43]、[44]。当石墨烯与半导体纳米粒子集成时，石墨烯可以通过高效电子捕获和电荷传输发挥作用，从而增强快速电子传输并抑制载流子复合[45]、[46]。此外，石墨烯的大比表面积促进了半导体纳米粒子的更好分散，同时为污染物分子提供了丰富的吸附位点[47]、[48]、[49]。先前的研究表明，基于石墨烯的半导体复合材料通常表现出优于原始材料的催化活性[50]、[51]。然而，过量的石墨烯负载可能会屏蔽半导体活性表面免受入射光照射或堵塞光催化活性位点，这表明最佳的石墨烯浓度对于最大化光催化性能至关重要[52]。先前的研究主要集中在Sr掺杂FeO_X或FeO_X/石墨烯复合材料方面。相比之下，同时引入Sr掺杂剂和石墨烯纳米片到FeO_X中的协同效应仅被有限探索。此外，石墨烯负载对Sr掺杂FeO_X结构、光学和PCP的影响尚未被系统研究。解决这些问题对于设计高效耐用的可见光光催化剂以适应实际废水处理至关重要。与先前报道的用于MB降解的光催化剂的比较进一步突显了所开发的SF-1G纳米复合材料的竞争性光催化性能（表1）。（见表2。）

本研究采用两步共沉淀和水热法制备了含有不同石墨烯负载量（0.5、1.0和1.5 wt%）的Sr掺杂FeO_X/石墨烯（SF-G）纳米复合材料。所制备的材料通过XRD、拉曼光谱、FE-SEM/EDX、紫外-可见光谱和荧光发射分析进行了系统表征，以研究其结构、形貌、元素、光学和载流子性质。在所有制备的光催化剂中，SF-1G纳米复合材料在120分钟内表现出最高的降解效率，降解率达96%，同时具有最大的k值（0.0264 min^?1）和优异的可重复使用性，在八次连续光催化循环后仍保持初始活性的88%。这些结果表明，Sr掺杂和石墨烯纳米片的协同组合有效改善了FeO_X的结构和光学性能，为废水处理提供了一种有前景的可见光响应光催化剂。

章节摘要

材料

六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）用作铁源，六水合氯化锶（SrCl₂·6H₂O）用作掺杂源。所有实验工作均使用氢氧化钠（NaOH）、氢氧化铵溶液（NH₄OH，25%）、乙醇（C₂H₅OH）和去离子水（DIW）进行。所有试剂均购自Sigma-Aldrich公司，使用前保存在实验室室温条件下。所有前驱体溶液和洗涤步骤均使用

结果与讨论

FeO_X、SF和SF-G纳米复合材料的XRD图谱如图1a所示。FeO_X样品的XRD图谱在2θ值为24.5°、30.8°、32.8°、35.7°、38.5°、49.6°、54.2°、59.9°和63.7°处显示明显的衍射反射。这些反射分别对应于(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(024)、(116)、(018)和(214)晶面，表明FeO_X菱方相的成功形成。尖锐且清晰的衍射峰清楚地表明

结论

采用两步共沉淀和水热法制备了不同石墨烯负载量的Sr掺杂Fe₂O₃/石墨烯（SF-G）纳米复合材料。结构分析确认了结晶赤铁矿和石墨烯在复合材料中的共存，石墨烯的引入保持了赤铁矿的晶相。SEM结果表明，石墨烯促进了Sr掺杂FeO_X纳米粒子的更均匀分布，紫外-可见和PL结果表明SF的可见光吸收

CRediT作者贡献声明

Aseel A. Kadhem：撰写——初稿、方法学、数据管理、概念化。Aymen Bourezgui：撰写——初稿、验证、方法学、概念化。Rizwan Ahmed Malik：撰写——初稿、方法学、形式分析、数据管理、概念化。Qaiser Abbas：撰写——初稿、资源、方法学、形式分析、概念化。Sardor Sabirov：撰写——初稿、可视化、方法学、数据管理、概念化。Abduvali

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个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢沙特阿拉伯阿拉尔北方边境大学科研处对本研究工作的资助，资助项目编号为"NBU-xxxx-2025-3728-xx"。

Aseel A. Kadhem|Aymen Bourezgui|Rizwan Ahmed Malik|Qaiser Abbas|Sardor Sabirov|Abduvali Sottarov|Aseel Smerat

助理教授 博士。Al-Qadisiyah大学。教育部，Wasit教育管理局，伊拉克