经过硫改性的纳米级零价铁能够有效促进偶氮染料废水厌氧处理的启动过程：实现生物强化作用与细胞外电子转移效率的提升

《Journal of Water Process Engineering》：Sulfur-modified nanoscale zero-valent iron promotes efficient start-up of anaerobic treatment for azo dye wastewater: Synergistic bioaugmentation and extracellular electron transfer enhancement

本研究通过水热法合成未掺杂及Cr、Ho共掺杂的CoF纳米棒，并利用超声法构建CH-CoF/CNTs复合材料。实验表明，该材料因晶粒尺寸减小、带隙调节及表面修饰，显著提升可见光吸收和电荷转移效率，对罗丹明B、氯吡脂磷和扑热息痛的光降解率分别达90%、80%、70%，为工业级水处理提供新方案。

　　水体污染与废水处理是当前全球面临的重要环境问题之一。随着科技和资源的快速发展，越来越多的化学物质被生产和排放到环境中，这些物质对生态和人类健康构成了潜在威胁。据联合国报告，每年全球产生的废水量约为1500立方公里，这相当于所有河流总水量的六倍。这些废水主要来源于农业和工业活动，其中包含的新兴污染物（Emerging Pollutants, EPs）如农药、药物残留和染料等，因其难以通过传统废水处理方法去除，而成为当前研究的重点。

传统的废水处理技术，如生物处理、吸附、过滤和混凝等，虽然在一定程度上能够缓解污染问题，但往往存在处理效率低、成本高或产生二次污染等局限性。近年来，先进的氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）因其能够高效降解有机污染物而受到广泛关注。AOPs主要通过产生高活性的氧化剂，如羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O??），将污染物分解为无害的产物，如二氧化碳和水。其中，光催化技术作为一种典型的AOP，因其利用太阳能作为驱动力、环境友好且操作简便，成为研究的热点。

光催化剂的性能通常取决于其结构、形态、元素掺杂以及表面功能化等参数。在众多光催化剂中，尖晶石结构的铁氧体因其独特的物理化学性质和磁性而备受关注。钴铁氧体（CoF）作为一种常见的尖晶石结构材料，因其优异的磁性和半导体特性，被广泛应用于磁性超声、抗癌治疗、气体检测以及光催化等领域。然而，纯钴铁氧体的较大带隙限制了其在可见光范围内的应用效率，从而影响了其光催化性能。

为了克服这一限制，研究人员通过掺杂金属离子来调控钴铁氧体的带隙和电荷转移能力。过渡金属和稀土金属的掺杂被认为是提高钴铁氧体性能的有效策略。其中，铬（Cr）因其高热导率、电导率和可调的光学特性而受到重视，而稀土金属如钬（Ho）则因其能够显著改善光学带隙和光催化效率而被广泛研究。特别是铬和钬共掺杂的钴铁氧体（CH-CoF），在可见光驱动下展现出优异的光催化性能，这主要得益于其结构和光学特性的优化。

在此基础上，将CH-CoF与碳纳米管（CNTs）结合，进一步提高了其光催化性能。CNTs具有出色的导电性和较高的长宽比，能够有效促进电荷转移，减少电子-空穴对的复合，从而提高光催化效率。此外，CNTs的高比表面积有利于污染物的吸附，扩大了光催化剂对可见光的吸收范围，同时增强了其可重复使用性和稳定性。这些特性使得CH-CoF/CNTs成为一种极具潜力的新型光催化剂，适用于有机污染物的高效降解。

本研究通过水热法合成纯钴铁氧体和掺杂钴铁氧体纳米棒，并采用超声波方法制备了CH-CoF/CNTs纳米复合材料。通过多种表征技术，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等，对所制备材料的结构、形貌、磁性和光学性能进行了系统分析。结果表明，掺杂显著降低了钴铁氧体的晶粒尺寸，从11.29纳米减少至6.59纳米，这有助于提高材料的比表面积和光催化活性。

XRD分析显示，所有样品的衍射峰均出现在2θ值为30.81°、36.17°、37.42°、43.84°、54.29°和62.77°的位置，对应于（220）、（311）、（222）、（400）、（422）和（440）晶面。这些峰的出现证实了材料的尖晶石结构，并且通过掺杂和复合处理，材料的结构得到了进一步优化。此外，XRD结果还显示，掺杂后的样品在晶格参数和晶胞体积方面有所变化，这可能与掺杂元素在晶格中的分布和取代有关。

SEM图像进一步揭示了材料的形貌特征。纯钴铁氧体和掺杂样品均呈现出规则的纳米棒结构，但与CNTs复合后，纳米棒的尺寸有所减小，表面更加光滑，这有助于提高光催化效率。同时，XPS分析表明，铬和钬的掺杂改变了钴铁氧体表面的化学状态，使得材料在可见光范围内具有更强的光响应能力。UV-Vis DRS结果显示，CH-CoF/CNTs的光学带隙显著减小，这使得其能够更有效地吸收可见光，从而提高光催化活性。

在实际应用中，CH-CoF/CNTs表现出优异的光催化降解性能。实验结果显示，该复合材料对罗丹明B（RhB）、氯吡rifos和对乙酰氨基酚（acetaminophen）的降解效率分别达到了约90%、80%和70%，远高于纯钴铁氧体和单一掺杂样品。这一结果表明，CH-CoF/CNTs在处理多种有机污染物方面具有显著优势。其高表面活性、低电子-空穴复合率以及成本效益，使其在工业废水处理中具有广阔的应用前景。

本研究的创新点在于成功制备了一种高效的光催化剂CH-CoF/CNTs，该材料不仅在结构和光学性能上得到优化，还在实际应用中展现出卓越的降解能力。此外，研究还深入探讨了不同参数对材料性能的影响，为未来开发更高效的光催化剂提供了理论依据和实验支持。通过这种综合性的研究方法，研究人员能够更全面地理解材料的性能机制，从而指导其在实际环境治理中的应用。

在实际应用中，光催化剂的稳定性、可重复使用性和经济性是关键因素。CH-CoF/CNTs在这些方面表现出色，其优异的性能使得它在废水处理和环境修复领域具有重要的应用价值。同时，该研究还强调了在设计和开发新型光催化剂时，需要综合考虑材料的结构、组成和表面特性，以实现最佳的光催化效果。

综上所述，本研究通过系统合成和表征，成功开发了一种新型的光催化剂CH-CoF/CNTs，该材料在可见光驱动下展现出高效的有机污染物降解能力。这一成果不仅为解决水体污染问题提供了新的思路，也为未来光催化技术的发展奠定了基础。随着对光催化材料研究的不断深入，预计将在环境治理、能源转换和材料科学等领域产生更广泛的影响。