碳纳米管修饰的尖晶石铁氧体纳米复合材料的协同效应，在光催化降解持久性环境污染物方面表现出优异性能

《Journal of Water Process Engineering》：Synergistic effect of carbon nanotubes decorated spinel ferrites nanocomposite for robust photocatalytic degradation of persistent environmental pollutants

光催化降解水污染物的新型钴铁氧体/碳纳米管复合材料研究，通过水热法和超声处理合成Cr/Ho共掺杂的CoF纳米棒及其与碳纳米管的复合物。分析表明，共掺杂和碳纳米管复合显著缩小了带隙（1.84 eV→1.55 eV），提升了可见光吸收能力，并降低了电子-空穴复合率。该材料对罗丹明B（90%）、氯吡酚（80%）和醋氨酚（70%）的降解效率远超纯CoF和单一掺杂体系，归因于碳基材料的高导电性和比表面积协同效应。

　　水体污染问题近年来已成为全球关注的焦点之一，尤其是那些难以通过传统方法去除的难降解污染物。这些污染物主要包括染料、农药和药物残留等，它们不仅对环境造成严重危害，还可能对人类健康产生潜在威胁。因此，开发新型高效的光催化剂成为解决这一问题的重要方向。光催化技术作为先进氧化工艺的一种，能够通过光诱导的电子-空穴对产生高活性的自由基，从而将有机污染物彻底矿化为无害的二氧化碳和水。这一技术的优势在于其无需额外添加化学试剂，同时具备环境友好性和可重复利用性，因此在水污染治理领域展现出广阔的应用前景。

本研究聚焦于一种新型的光催化剂——铬和钬共掺杂的钴铁氧体（CH-CoF）与碳纳米管（CNTs）复合材料的制备与性能分析。钴铁氧体是一种具有反尖晶石结构的半导体材料，其独特的磁性和光电特性使其在多种应用中表现出色。然而，纯钴铁氧体的带隙较大，限制了其在可见光范围内的光响应能力。为了改善这一缺陷，研究者通过掺杂策略引入铬和钬离子，从而调整其带隙结构，增强对可见光的吸收能力，并有效抑制电子-空穴对的复合现象。这种共掺杂策略不仅优化了钴铁氧体的光电性能，还显著提升了其作为光催化剂的活性。

在研究中，采用水热法合成纯钴铁氧体和共掺杂的钴铁氧体，随后通过超声波辅助方法制备CH-CoF/CNTs纳米复合材料。这种复合材料的结构特点在于其较小的晶粒尺寸、更宽的能带和更强的可见光吸收能力，从而显著提升了其在可见光条件下的光催化效率。实验结果显示，CH-CoF/CNTs对罗丹明B（RhB）、氯吡rifos和对乙酰氨基酚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。这些结果表明，该复合材料在光催化降解污染物方面具有显著优势。

为了全面评估材料的性能，研究团队采用了多种表征技术。X射线衍射（XRD）分析显示，随着掺杂的进行，钴铁氧体的晶粒尺寸有所减小，同时形成了新的晶格畸变，这为光催化反应提供了更多的活性位点。傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步确认了钴铁氧体的反尖晶石结构，并揭示了掺杂对材料化学键的影响，例如晶格畸变和缺陷态的形成。这些变化有助于增强材料的光响应能力，并促进电子-空穴对的有效分离。

光致发光（PL）分析则揭示了材料在光催化过程中电子-空穴对的复合情况。研究发现，CH-CoF/CNTs复合材料的PL强度显著降低，表明其具有更高效的电子-空穴分离能力。这一特性对于提升光催化效率至关重要，因为电子-空穴对的复合会大大降低反应活性。此外，磁滞回线（VSM）测试显示，随着掺杂和复合的进行，材料的磁性表现出从硬磁向软磁的转变趋势，同时饱和磁化强度显著增加，而矫顽力则有所降低。这些磁性变化与材料的微观结构密切相关，尤其是晶粒尺寸和界面相互作用的影响。

场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像则展示了材料的微观结构和形貌特征。研究发现，纯钴铁氧体和共掺杂样品均呈现出纳米棒状结构，而复合材料则在碳纳米管网络中均匀分布，显示出良好的分散性和更大的比表面积。这些形貌特征不仅有助于提升材料的光吸收能力，还增强了其在反应过程中的电荷传输效率，从而显著提高了光催化性能。

在光催化性能测试中，CH-CoF/CNTs复合材料表现出了最佳的降解效果。其对RhB、氯吡rifos和对乙酰氨基酚的降解效率分别达到了90%、80%和70%，远高于其他材料。这一优异的性能归因于其独特的结构特点，包括更小的晶粒尺寸、更宽的能带和更高效的电荷分离机制。此外，碳纳米管的引入不仅提高了材料的导电性，还为电子提供了更多的传输路径，从而进一步抑制了电子-空穴对的复合。

研究还通过紫外-可见光谱（UV-Vis）分析了材料的光学性能。结果显示，随着掺杂和复合的进行，材料的带隙逐渐减小，从而提升了其在可见光范围内的光响应能力。这种带隙的调整有助于提高材料对光的吸收效率，使其在可见光条件下具备更高的催化活性。此外，电化学测试（如Mott-Schottky和EIS分析）进一步揭示了材料的电荷转移特性和电化学行为，表明其在光催化反应中具有更高效的电子传输能力和更低的电荷转移电阻。

从环境应用的角度来看，CH-CoF/CNTs复合材料的优势在于其较高的比表面积、较低的电子-空穴对复合率以及成本效益。这些特性使其在工业废水处理和环境修复领域具有重要的应用价值。此外，该材料的制备过程相对简单，且具备良好的稳定性和可重复使用性，进一步增强了其在实际应用中的可行性。

本研究的创新之处在于成功合成了具有优异光催化性能的CH-CoF/CNTs纳米复合材料。通过系统的结构、磁性、光学和电化学分析，研究团队深入探讨了材料性能变化的原因，并验证了其在实际污染物降解中的有效性。实验结果表明，这种复合材料不仅在实验室条件下表现出色，而且具备工业应用的潜力，特别是在处理有机染料、农药和药物残留方面。

此外，研究还探讨了该材料的降解机制。在可见光照射下，CH-CoF/CNTs材料能够有效地产生电子-空穴对，并通过碳纳米管网络促进电荷的分离和传输。同时，铬和钬的共掺杂引入了新的缺陷态，进一步增强了材料的光响应能力和催化活性。这些缺陷态不仅有助于拓宽材料的光吸收范围，还能够作为电子捕获中心，减少电子-空穴对的复合，从而提高光催化效率。

总体而言，本研究通过系统的方法论和多维度的性能分析，成功开发出一种高效的光催化剂。该催化剂在可见光条件下表现出优异的污染物降解能力，为水体污染治理提供了新的思路和解决方案。其优异的性能不仅源于材料的结构优化，还与其独特的掺杂策略和复合结构密切相关。未来，该材料有望在环境修复、废水处理和绿色化学等领域发挥更大的作用。