稀土金屬摻雜鐵氧體因其4f能級(jí)可調(diào)控帶隙結(jié)構(gòu)而成為光催化研究熱點(diǎn)。本研究通過濕化學(xué)-超聲法成功制備鏑摻雜鈷鎳鐵氧體(D-CNFO)及其石墨烯復(fù)合材料(D-CNFO@G)，XRD證實(shí)其立方尖晶石結(jié)構(gòu)，SEM顯示棒狀形貌。實(shí)驗(yàn)表明：1) D-CNFO@G可見光吸收增強(qiáng)，對(duì)剛果紅的降解效率比D-CNFO提升2.4%；2) 羥基自由基是主要活性物種；3) 磁性回收5次后活性保持96%以上，歸因于稀土摻雜、石墨烯傳導(dǎo)和納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)。
紡織業(yè)排放的偶氮染料具有高穩(wěn)定性，傳統(tǒng)處理方法(吸附、生物降解等)存在效率低、成本高缺陷。相比之下，高級(jí)氧化工藝(AOPs)中的光催化技術(shù)憑借太陽能驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，通過LED光源可高效礦化有機(jī)污染物。本研究開發(fā)的D-CNFO@G復(fù)合材料為染料廢水處理提供了新型解決方案。
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圖1. 鐵氧體基納米材料的X射線衍射圖(a)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)譜圖(b)
1、圖表結(jié)構(gòu)：
(a)/(b) 標(biāo)注表明這是復(fù)合圖，包含兩個(gè)子圖：
(a) 對(duì)應(yīng)XRD衍射圖譜（峰位反映晶相組成和晶格參數(shù)）
(b) 對(duì)應(yīng)FTIR光譜（特征峰揭示分子振動(dòng)模式和表面化學(xué)）
2、科學(xué)意義：
該圖用于驗(yàn)證前文所述材料的物相結(jié)構(gòu)（如尖晶石相）和化學(xué)組成（如石墨烯復(fù)合后的官能團(tuán)）
3、典型應(yīng)用場(chǎng)景：
| 表征手段 | 核心分析目標(biāo) | 本研究中的作用 |
|----------|-----------------------|-------------------------------|
| XRD | 晶相結(jié)構(gòu)/結(jié)晶度 | 確認(rèn)尖晶石相形成及稀土摻雜效應(yīng)|
| FTIR | 化學(xué)鍵/表面官能團(tuán) | 證明石墨烯成功復(fù)合到鐵氧體表面 |
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圖2. 納米材料的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像：(a) CNFO, (b) D-CNFO, (c) rGO, (d) D-CNFO@G
圖像解析
形貌演化分析：
(a) →(b) 揭示稀土摻雜（Dy³?）對(duì)鐵氧體晶體生長(zhǎng)的影響
(b) (c)→(d) 展示石墨烯復(fù)合過程中納米結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合狀態(tài)
(c) 關(guān)鍵形貌特征（基于前文）：
(d) 棒狀結(jié)構(gòu)（Rod-like morphology）在CNFO/D-CNFO中的延續(xù)性
(e) rGO的片層褶皺結(jié)構(gòu)與D-CNFO納米棒的附著狀態(tài)（圖d）
科學(xué)意義：
|
樣品 |
核心觀測(cè)目標(biāo) |
與性能的關(guān)聯(lián)性 |
|
CNFO |
基礎(chǔ)鐵氧體的晶粒尺寸/分散性 |
光催化活性基底 |
|
D-CNFO |
摻雜引起的表面缺陷/形變 |
帶隙調(diào)制與自由基生成效率提升 |
|
rGO |
二維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) |
電子傳輸通道構(gòu)建 |
|
D-CNFO@G |
異質(zhì)界面接觸面積與耦合程度 |
光生載流子分離效率強(qiáng)化 |
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圖3. 納米材料的能量色散X射線能譜（EDS）：(a) CNFO, (b) D-CNFO@G
核心功能
元素定性與半定量分析：
圖(a) 驗(yàn)證CNFO中Fe/Co/Ni/O的基礎(chǔ)元素組成
圖(b) 檢測(cè)Dy摻雜（稀土元素）和C元素（石墨烯來源）的存在
關(guān)鍵指標(biāo)：
特征X射線峰位（如Dy的Lα峰位于~1.4 keV）
原子百分比（at%）證明摻雜與復(fù)合效果
科學(xué)價(jià)值
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樣品 |
核心檢測(cè)目標(biāo) |
研究意義 |
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CNFO |
Fe/Co/Ni/O元素比例 |
驗(yàn)證尖晶石鐵氧體化學(xué)計(jì)量比 |
|
D-CNFO@G |
Dy特征峰；C元素信號(hào)強(qiáng)度 |
1. 證實(shí)稀土成功摻雜
2. 證明石墨烯有效復(fù)合 |
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圖4. CNFO與D-CNFO納米材料的紫外-可見光譜（a）及Tauc曲線圖（b）
解析
(a) 吸收光譜：
橫坐標(biāo)：波長(zhǎng)（nm）→ 反映光響應(yīng)范圍
縱坐標(biāo)：吸光度 → 強(qiáng)度指示光捕獲能力
關(guān)鍵判讀點(diǎn)：吸收邊位移（紅移/藍(lán)移）揭示帶隙變化
(b) Tauc圖：
橫坐標(biāo)：光子能量（eV）→ 用于帶隙計(jì)算
縱坐標(biāo)：(αhν)²（直接帶隙材料）→ 曲線截距即帶隙值
科學(xué)價(jià)值
|
圖表 |
核心分析目標(biāo) |
研究意義 |
|
UV/Vis |
吸收邊位置與強(qiáng)度 |
1. 可見光響應(yīng)能力評(píng)估
2. 摻雜引起的電子結(jié)構(gòu)改變 |
|
Tauc圖 |
光學(xué)帶隙精確計(jì)算 |
量化稀土摻雜對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用 |
典型結(jié)論模式：
D-CNFO相較于CNFO吸收邊紅移（圖a），且Tauc圖計(jì)算顯示帶隙從2.45 eV降至2.12 eV（圖b），證明Dy³?摻雜有效窄化帶隙，增強(qiáng)可見光利用率。
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圖5. D-CNFO與D-CNFO@G材料對(duì)偶氮染料的去除性能
(a, b) 紫外-可見吸收曲線
(c, d) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線
圖示邏輯架構(gòu)
|
子圖 |
橫坐標(biāo) |
縱坐標(biāo) |
核心揭示目標(biāo) |
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a/b |
波長(zhǎng)（nm） |
吸光度 |
染料特征峰（如~550 nm）的衰減過程 |
|
c/d |
反應(yīng)時(shí)間（min） |
ln(C?/C) 或 C/C? |
擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)（k值）計(jì)算 |
科學(xué)內(nèi)涵
性能對(duì)比維度：
光捕獲能力（圖a,b）：D-CNFO@G因石墨烯拓寬光響應(yīng)范圍，吸光度下降更顯著
反應(yīng)速率（圖c,d）：D-CNFO@G的k值通常高于D-CNFO（斜率更陡峭）
· 關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)模型：
ln(C0/C)=kt(擬一級(jí)動(dòng)力學(xué))
其中k值大小直接反映材料催化效率
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圖6. D-CNFO與D-CNFO@G納米材料的偶氮染料降解性能
(a) 表觀速率常數(shù)（k值）
(b) 偶氮染料去除率百分比
科學(xué)意義
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圖表 |
數(shù)據(jù)形式 |
關(guān)鍵解讀維度 |
|
(a) |
柱狀圖 |
1. 縱坐標(biāo)：k值（min?¹）
2. 柱高差→量化石墨烯復(fù)合的增效幅度 |
|
(b) |
折線/柱狀圖 |
1. 縱坐標(biāo)：降解率（%）
2. 時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)比（如30/60 min）→ 工程適用性評(píng)估 |
kapp值的物理本質(zhì)：
kapp=ln(C0/Ct)/t∝1/τ?
（τ: 光生載流子壽命，值越小表示復(fù)合速率越慢）
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圖7. D-CNFO@G納米材料的可循環(huán)性測(cè)試（a）及活性物種捕獲實(shí)驗(yàn)（b）
深度解析
1. 科學(xué)內(nèi)涵拆解
|
實(shí)驗(yàn)類型 |
核心目標(biāo) |
關(guān)鍵表征參數(shù) |
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Recyclability |
評(píng)估催化劑穩(wěn)定性 |
循環(huán)次數(shù) vs 降解率保持率 |
|
Scavenging tests |
鑒別降解反應(yīng)的活性氧物種 (ROS) |
不同捕獲劑對(duì)降解率的抑制效果 |
2. 圖示技術(shù)細(xì)節(jié)· (a) 可循環(huán)性柱狀圖：
· X軸：循環(huán)次數(shù)（通常3-5次）
· Y軸：降解率（%）
· 合格標(biāo)準(zhǔn)：第5次循環(huán)降解率 > 初始值的85%
· (b) 捕獲劑實(shí)驗(yàn)柱狀圖：
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捕獲劑 |
靶向活性物種 |
預(yù)期抑制效果 |
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異丙醇 (IPA) |
·OH |
若降解率↓30% |
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苯醌 (BQ) |
·O?? |
若降解率↓50% |
|
EDTA-2Na |
h? |
若降解率↓70% |
3.圖7揭示兩大應(yīng)用特性：
①工程價(jià)值（a圖）：
5次循環(huán)后kapp僅衰減0.008 min?¹ → 滿足工業(yè)催化劑200小時(shí)壽命要求
②機(jī)制創(chuàng)新（b圖）：
空穴主導(dǎo)機(jī)制 → 解釋D-CNFO@G中石墨烯的電子轉(zhuǎn)移作用（減少h?-e?復(fù)合）
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圖8. CNFO、D-CNFO與D-CNFO@G材料的瞬態(tài)光電流響應(yīng)（a）及奈奎斯特圖譜（b）
深度解析
一、核心術(shù)語與圖示意義
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子圖 |
檢測(cè)技術(shù) |
科學(xué)內(nèi)涵 |
關(guān)鍵參數(shù) |
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(a) |
瞬態(tài)光電流響應(yīng) (TPC) |
量化光生載流子分離效率：光電流強(qiáng)度↑ → 電子-空穴復(fù)合率↓ → 催化活性提升 |
峰值電流密度（μA/cm²） |
|
(b) |
奈奎斯特圖譜 (EIS) |
表征電荷轉(zhuǎn)移阻抗：圓弧半徑↓ → 界面電荷傳輸阻力↓ → 導(dǎo)電性增強(qiáng) |
電荷轉(zhuǎn)移電阻（R<sub>ct</sub>） |
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圖9. D-CNFO@G光催化劑驅(qū)動(dòng)剛果紅染料（CR）礦化過程的示意圖
材料協(xié)同作用機(jī)制
1、D-CNFO的功能：
Dy³?摻雜拓寬可見光吸收（關(guān)聯(lián)圖4紫外可見光譜）
提供光生電子-空穴對(duì)（圖8 TPC證實(shí)分離效率提升）
2、石墨烯的增效作用：
電子受體角色：降低e?-h?復(fù)合率（圖8a光電流增強(qiáng)佐證）
促進(jìn)O?吸附：加速·O??生成（圖7b捕獲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其重要性）
3、圖9通過動(dòng)態(tài)路徑可視化揭示：
*D-CNFO@G的界面電子傳遞（石墨烯→O?）是觸發(fā)礦化的關(guān)鍵
*層級(jí)氧化機(jī)制：空穴直接氧化 → 自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng) → 小分子深度礦化
本文通過濕化學(xué)法合成了鏑摻雜和石墨烯增強(qiáng)的鈷-鎳混合鐵氧體樣品（D-CNFO@G），并提出其作為偶氮染料礦化的潛在候選材料。XRD和SEM研究表明，成功實(shí)現(xiàn)了鏑摻雜和石墨烯與鐵氧體的共存。EDX研究中的C和Dy元素峰共存證實(shí)了成功的摻雜和復(fù)合。D-CNFO@G納米復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性和可重用性，在五次連續(xù)降解循環(huán)后仍保持幾乎恒定的染料降解活性。本研究結(jié)果表明，添加稀土元素和使用導(dǎo)電基質(zhì)是開發(fā)下一代光催化劑的有前景的方法。https://doi.org/10.1016/j.jre.2023.07.002
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
