从香蕉皮中提取的生物炭改性的镁铁氧体：一种可通过磁力回收的复合材料，用于吸附耦合光催化降解结晶紫

《Surfaces and Interfaces》：Banana Peel-Derived Biochar-Modified Mg Ferrite: A Magnetically Recoverable Composite for Adsorption-Coupled Photocatalytic Degradation of Crystal Violet

本研究成功合成了生物炭修饰的镁铁氧体（MgFe?O?）/生物炭纳米复合材料，其在可见光下高效去除结晶紫（CV）废水。30% MgFe?O?负载的MGB3复合材料在50分钟内实现99.89%的CV降解，其吸附-光催化协同机制显著优于单一吸附。材料在碱性条件下表现更佳，且经五次循环后仍保持>89%的降解效率，磁回收特性突出，为可持续水处理提供了新方案。

　　本研究聚焦于开发一种新型的生物炭修饰镁铁矿（MgFe?O?/biochar）纳米复合材料，用于在可见光条件下高效去除水体中的结晶紫（Crystal Violet, CV）染料。随着工业化和经济发展的不断推进，水污染问题日益严重，特别是在纺织行业，由于大量染料废水排放，导致了严重的环境挑战。染料作为复杂的有机化合物，不仅具有良好的水溶性，还因其含有不饱和化学基团而呈现出鲜艳的颜色，这些特性使其成为水体污染的重要来源之一。因此，开发高效、经济、可持续的材料来去除染料，已成为当前环境治理领域的重要课题。

在众多可能的解决方案中，光催化技术因其在环境修复中的广泛应用而备受关注。传统的光催化剂往往面临诸如光响应范围有限、电子-空穴复合率高、材料回收困难等问题，从而影响其实际应用效果。为此，研究人员尝试通过材料改性来提升光催化性能，例如将催化剂负载在具有高比表面积和良好吸附能力的载体上，以实现吸附与光催化协同作用。生物炭作为一种由生物质热解得到的多孔碳材料，因其丰富的表面官能团、低成本以及良好的吸附性能，被广泛应用于环境修复中。将镁铁矿纳米颗粒与生物炭结合，不仅能够克服单一材料的局限性，还能提升光催化效率，实现高效、可重复利用的水处理方案。

本研究采用香蕉皮作为生物炭的前驱体，因其在自然界中广泛存在，且具有较高的纤维素和果胶含量，能够生成具有大比表面积和丰富官能团的碳材料。这种生物炭在吸附和光催化过程中表现出优异的性能，能够有效结合镁铁矿纳米颗粒，形成一种新型的复合材料。镁铁矿作为一种具有立方尖晶石结构的纳米材料，因其良好的磁性、稳定性以及催化活性，被广泛应用于传感器、磁记录、催化反应等领域。然而，其在可见光下的光催化性能相对较弱，这限制了其在实际水处理中的应用。因此，将镁铁矿负载在生物炭上，利用生物炭的多孔结构和高比表面积，不仅能够提升可见光吸收能力，还能减少电子-空穴的复合，从而增强光催化效率。

本研究中，通过固态法将镁铁矿纳米颗粒负载在生物炭上，形成了一种具有磁性回收能力的复合材料。该材料在可见光照射下对结晶紫染料表现出高效的降解能力。实验结果显示，在50分钟内，30%负载量的MgFe?O?/biochar（MGB3）复合材料能够将10 ppm的结晶紫降解至99.89%的去除率，其伪一级反应速率常数达到0.1178 min?1，显著高于仅吸附过程的0.0296 min?1，这表明吸附-光催化协同作用机制具有显著优势。此外，该复合材料在多次循环使用后仍能保持较高的降解效率（>89%），显示出良好的稳定性。同时，其磁性特性使得材料易于回收，避免了传统光催化剂在使用后的二次污染问题，为水处理提供了更加环保和可持续的解决方案。

实验过程中，研究人员首先对材料的结构和形貌进行了详细表征，以确认镁铁矿纳米颗粒是否成功负载在生物炭上。通过X射线衍射（XRD）分析，发现MGB2、MGB3和MGB4样品中均出现了典型的尖晶石结构峰（PDF#17–0464），表明其主要活性相为MgFe?O?的尖晶石结构，且未检测到其他杂质峰。这说明合成的复合材料具有较高的纯度和结构稳定性。此外，通过紫外-可见光谱（UV-Vis）分析和塔克图（Tauc plot）计算，发现该复合材料的带隙能量显著降低，从而提升了其在可见光范围内的光吸收能力。这种结构优化不仅有助于提高光催化效率，还增强了材料在实际应用中的适应性。

在初步实验中，研究人员对纯镁铁矿和合成的复合材料进行了降解性能测试。实验结果表明，在可见光照射下，纯镁铁矿对结晶紫的降解能力有限，而复合材料表现出显著的增强效果。这进一步验证了生物炭对镁铁矿光催化性能的提升作用。此外，实验还探讨了不同浓度的结晶紫对降解效率的影响。结果显示，随着染料浓度的增加，降解效率有所下降，这是由于可见光穿透性减弱以及活性位点的饱和所导致的。因此，在实际应用中，需要根据污染物的浓度合理选择催化剂的负载量，以确保最佳的降解效果。

在pH条件对降解效率的影响方面，研究发现，在碱性条件下，结晶紫的降解速率显著高于初始pH条件下的降解速率。这可能是由于碱性环境能够促进染料分子的解离，从而增加其与催化剂表面活性位点的接触，提高反应效率。这一发现为优化水处理条件提供了理论依据，表明在特定pH范围内，可以进一步提升复合材料的降解能力。因此，在实际应用中，合理调控水体的pH值，有助于提高光催化反应的效率。

此外，本研究还探讨了生物炭的来源和制备过程。香蕉皮作为一种常见的农业废弃物，其热解过程能够生成具有高比表面积和丰富官能团的生物炭。这种生物炭不仅能够有效吸附染料分子，还能与镁铁矿纳米颗粒形成协同作用，提高光催化效率。通过热解过程，研究人员能够控制生物炭的结构和性质，从而优化其在光催化反应中的表现。同时，由于生物炭来源于可再生资源，其制备过程具有较高的可持续性，为环境友好型材料的开发提供了新的思路。

在材料的表征和测试过程中，研究人员采用了多种分析手段，包括XRD、UV-Vis、Tauc plot等，以全面评估复合材料的性能。这些分析手段不仅能够确认材料的结构和组成，还能揭示其在光催化反应中的机理。例如，通过XRD分析，研究人员能够确认镁铁矿纳米颗粒是否成功负载在生物炭上，并判断其是否形成了稳定的尖晶石结构。通过UV-Vis分析和Tauc plot，研究人员能够评估材料的光响应能力，并计算其带隙能量的变化。这些数据为优化材料的性能提供了重要依据。

在实际应用中，该复合材料表现出良好的稳定性，能够在多次循环使用后仍保持较高的降解效率。这一特性对于水处理系统的可持续运行至关重要，因为材料的重复使用不仅能够降低处理成本，还能减少对环境的负担。此外，该复合材料的磁性特性使得其在使用后能够通过外部磁场进行快速回收，避免了传统光催化剂在使用后的处理难题。因此，该材料不仅具有优异的降解性能，还具备良好的可回收性，为水处理技术的发展提供了新的方向。

综上所述，本研究成功开发了一种基于生物炭的镁铁矿纳米复合材料，该材料在可见光照射下能够高效去除结晶紫染料，展现出良好的光催化性能。通过合理的材料设计和结构优化，研究人员实现了吸附与光催化协同作用机制，显著提升了降解效率。同时，该材料的磁性回收能力和可持续性，使其在实际应用中具有较大的潜力。未来，随着对染料污染问题的进一步认识，以及对新型光催化剂的不断探索，这种复合材料有望在水处理领域发挥更大的作用，为实现可持续的水资源管理提供有力支持。