基于双(二甲基乙二肟酸)镍(II)配合物和Fe?O?（磁铁矿）纳米颗粒的高效光催化剂，用于在水溶液中快速降解有毒染料

《Journal of Molecular Structure》：High-efficiency photocatalyst based on bis(dimethylglyoximato)nickel(II) complex and Fe 3O 4 (magnetite) nanoparticles for rapid degradation of toxic dyes in aqueous medium

通过功能化处理将磁性Fe3O4纳米颗粒负载于Ni(DMG)?微 rods，构建出具有高比表面积（18.09 m2/g）和异质结结构的复合MOF材料。该材料在可见光下表现出优异的光催化性能，30分钟内MB降解率达95%，50分钟内NB降解率达91%，且通过COD检测证实了染料的矿化降解。研究证实该复合材料兼具光催化活性与磁分离特性，为工业染料废水处理提供了高效可重复利用的解决方案。

　　在当今全球工业化和人口增长的背景下，水污染问题变得日益严峻，尤其是在工业废水排放过程中，合成染料的使用对环境构成了重大威胁。这些染料，如甲基蓝（MB）和 nigrosin black（NB），不仅对水体造成视觉污染，还可能引发一系列生态和健康问题。随着对环境可持续性的关注不断上升，开发高效、环保的光催化剂成为解决这一问题的关键方向。本文探讨了一种新型的复合材料——基于双（二甲基甘肟）镍（II）配合物微棒与磁铁矿（Fe?O?）纳米颗粒构建的介孔金属有机框架（MOF）异质结构复合材料，该材料在可见光照射下表现出优异的光催化性能，为工业废水处理提供了可持续的解决方案。

### 环境挑战与染料污染

全球范围内，工业废水排放已成为水污染的主要来源之一。特别是在纺织、皮革、油漆、造纸、化妆品、食品和制药等行业，合成染料的使用量持续增加。这些染料不仅影响水体的物理化学性质，如生物化学需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总溶解固体（TDS）、总悬浮固体（TSS）和pH值，还对生态环境和人类健康构成潜在威胁。例如，甲基蓝是一种具有毒性和致癌性的化合物，其浓度超过一定阈值时会对人体产生严重危害，包括腹痛、消化和精神障碍、呼吸困难，甚至失明。此外，它还可能引发恶心、呕吐、腹泻、发绀、黄疸、胃炎、休克和心率加快等症状，甚至导致高铁血红蛋白症（一种影响血液供氧能力的疾病）和组织坏死。

染料污染还对水生生态系统产生深远影响。作为水体中的初级生产者，微藻在维持生态平衡中扮演着重要角色。然而，甲基蓝等染料的积累会抑制微藻的生长，进而破坏水体的营养循环和能量流动，影响整个生态系统的稳定性。此外，某些染料如 nigrosin black（NB）具有潜在的致癌性和致突变性，其复杂的芳香结构使其在自然环境中难以降解，容易积累并影响水体质量。同时，这些染料在水体中吸收太阳光，导致水体透明度下降，阻碍水生植物和藻类的光合作用，从而降低溶解氧（DO）水平。溶解氧的减少会进一步引发水体缺氧或无氧状态，导致鱼类死亡和生物多样性下降。

### 传统处理方法的局限性

针对染料污染问题，传统的处理方法包括物理化学和生物处理技术。然而，这些方法在实际应用中往往存在一定的局限性。例如，生物处理方法依赖于微生物的降解作用，但合成染料由于其化学结构的稳定性，通常难以被好氧微生物有效降解。相比之下，厌氧条件下虽然可以部分分解染料，但会产生有毒的芳香胺类化合物，这些物质与膀胱癌等健康问题相关，增加了处理的复杂性。此外，化学氧化和沉淀等方法虽然在去除染料方面效果显著，但其应用通常需要高浓度的氧化剂，如Fe2?和H?O?，这不仅增加了处理成本，还可能带来二次污染的风险。

另一方面，絮凝剂的使用虽然可以快速去除水中的染料，但其处理过程可能影响水体的自然生态，甚至导致水质恶化。因此，寻找一种高效、经济且环境友好的处理方法成为当前研究的重点。光催化降解技术因其低能耗、无二次污染和对可见光的响应能力，被视为一种具有潜力的解决方案。该技术利用半导体材料在光照下产生的电子-空穴对，通过氧化还原反应分解染料分子。然而，大多数半导体材料在实际应用中面临一个关键问题：光生电子-空穴对的快速复合，这会显著降低其光催化效率。

### 金属有机框架（MOF）的优势

金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）作为一种新型的多孔材料，因其独特的结构和性能在光催化领域展现出巨大潜力。MOFs是由金属离子或簇与有机配体通过配位键连接形成的三维网络结构，具有高比表面积、可调的孔径和孔隙率、良好的热稳定性和化学稳定性等优点。这些特性使其在气体储存、分离、光催化、吸附、化学传感、药物输送、超级电容器、半导体、水分解和生物医学成像等领域得到广泛应用。

在光催化领域，MOFs的优势尤为突出。首先，其高比表面积为反应提供了更多的活性位点，有助于提高催化效率。其次，MOFs的结构可以被精确调控，从而优化其对特定污染物的吸附和反应能力。此外，MOFs的可设计性使其能够与其他材料结合，形成异质结构复合材料，以解决单一材料在光催化过程中存在的电子-空穴对复合问题。例如，通过将MOFs与磁铁矿纳米颗粒结合，可以构建一种具有协同效应的异质结构，有效延长光生载流子的寿命，提高光催化效率。

### 复合材料的构建与性能

本文提出了一种新型的MOF异质结构复合材料，即通过将磁铁矿纳米颗粒（Fe?O?）负载到双（二甲基甘肟）镍（II）配合物（[Ni(DMG)?]）微棒表面，构建出具有介孔结构的复合材料。这种复合材料的构建方法采用了一种简单的原位煅烧技术，使得Fe?O?纳米颗粒能够均匀地分布在[Ni(DMG)?]微棒表面，形成稳定的异质结构。SEM图像显示，该复合材料具有半纳米尺寸的微棒结构，表面呈现出清晰的晶面和阶梯状的微结构，表明其具有良好的表面形貌和结构特征。

XRD分析进一步验证了该复合材料的晶体结构，确认了Fe?O?和[Ni(DMG)?]的结晶性得以保留。此外，DRS（紫外-可见漫反射光谱）分析表明，该复合材料的带隙较纯Fe?O?的2.13 eV有所减小，降至1.45 eV，这说明其对可见光的吸收能力得到了显著提升。带隙的减小意味着材料在可见光范围内的光响应能力增强，从而提高了光催化效率。同时，该复合材料的比表面积为18.09 m2/g，这为染料分子的吸附和反应提供了充足的活性位点。

在实际应用中，该复合材料表现出卓越的光催化性能。在可见光照射下，仅需0.05 g的催化剂剂量即可在30分钟内实现甲基蓝（MB）95%的降解率，而0.06 g的催化剂剂量则可在50分钟内实现 nigrosin black（NB）91%的降解率。这种高效率的降解能力表明该材料在实际废水处理中具有较大的应用潜力。此外，该材料的催化性能还得到了动力学研究的验证，其反应遵循伪二级动力学模型，说明其反应速率与催化剂浓度密切相关，具有良好的可控性。

### 矿化效果与可持续性

除了对染料的降解能力，该复合材料在废水处理中的矿化效果同样值得关注。矿化是指将有机污染物完全分解为无机小分子的过程，通常以化学需氧量（COD）的降低作为衡量指标。实验结果显示，在90分钟内，该复合材料能够将初始浓度为1800 mg/L的甲基蓝和 nigrosin black（NB）的COD降低至200 mg/L，降幅达到89%。这一结果表明，该材料不仅能够有效去除染料分子，还能够将其彻底矿化，减少对环境的长期影响。

该复合材料的另一个重要优势是其可重复使用性。在光催化反应后，通过外部磁场可以轻松地将Fe?O?纳米颗粒从反应体系中分离出来，从而实现材料的循环利用。这种特性对于实际废水处理过程至关重要，因为它可以显著降低处理成本，并减少对环境的负担。此外，该材料的稳定性也得到了验证，其在多次循环使用后仍能保持较高的催化活性，说明其具有良好的耐久性和适用性。

### 应用前景与研究意义

综上所述，本文所提出的[Ni(DMG)?]-Fe?O? MOF异质结构复合材料为工业废水处理提供了一种高效、环保且可持续的解决方案。该材料不仅具有优异的光催化性能，还能够在可见光条件下实现染料的高效降解和矿化，同时具备良好的可重复使用性和稳定性。这些特性使其在实际应用中具有较大的潜力，尤其是在处理高浓度染料废水方面。

此外，该研究还为未来开发新型光催化剂提供了理论依据和技术路线。通过将MOFs与磁铁矿纳米颗粒结合，研究人员成功构建了一种具有协同效应的异质结构，这一策略可以被推广到其他类型的污染物处理中。例如，该方法可以用于处理其他有机污染物，如农药残留、重金属离子等，从而拓展其应用范围。同时，该研究也强调了材料设计在光催化领域的关键作用，即通过调控材料的结构和组成，可以显著提升其催化性能。

在环境治理领域，这种新型光催化剂的开发具有重要的现实意义。随着全球对可持续发展的重视，寻找一种既能有效去除污染物，又不会对环境造成二次污染的处理技术成为研究的热点。本文所提出的材料不仅满足了这一需求，还为未来的环境治理提供了新的思路和技术手段。通过进一步优化材料的结构和性能，有望开发出更加高效、经济和环保的光催化剂，为工业废水处理提供更广泛的解决方案。

### 未来研究方向

尽管本文所提出的[Ni(DMG)?]-Fe?O? MOF异质结构复合材料在光催化降解染料方面表现出色，但仍有一些研究方向值得进一步探索。首先，可以研究该材料在不同pH值、温度和光照条件下的稳定性，以确保其在实际应用中的适应性。其次，可以探讨该材料对其他类型污染物的处理能力，如重金属离子、有机污染物和微生物等，以拓展其应用范围。此外，还可以研究该材料的长期循环使用性能，以评估其在实际废水处理中的可持续性。

另外，从材料合成的角度来看，可以进一步优化合成工艺，以提高材料的产率和纯度。例如，通过调整反应条件，如温度、压力和时间，可以进一步改善材料的微观结构和表面性质，从而提升其光催化性能。同时，还可以探索其他类型的金属有机框架（MOFs）与磁铁矿纳米颗粒的结合方式，以寻找更高效的异质结构组合。

在实际应用方面，该材料可以被用于构建模块化的光催化反应器，以适应不同规模的废水处理需求。此外，还可以结合其他技术，如膜分离和吸附技术，以提高废水处理的整体效率。例如，在光催化反应之前，可以通过膜过滤去除废水中的悬浮颗粒，从而减少对催化剂的干扰，提高降解效率。

总之，本文所提出的[Ni(DMG)?]-Fe?O? MOF异质结构复合材料为工业废水处理提供了一种新的思路和方法。其优异的光催化性能和环境友好性使其在实际应用中具有广阔的前景。未来的研究可以进一步优化材料的性能，拓展其应用范围，并探索其在不同环境条件下的适用性，从而推动光催化技术在环境治理领域的深入发展。