《Dyes and Pigments》：Visible-Light Activated Strontium Ferrite Nanoparticles for Efficient Degradation of Toxic Dyes and Antibacterial Performance in Wastewater: A Response Surface Methodology Approach
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光催化降解刚果红染料及抗菌活性研究。采用溶胶-凝胶自燃法合成六角晶系SrFe2O4磁性纳米颗粒，通过响应面法优化降解条件，实现可见光下100%刚果红降解及循环稳定性。材料具有2.03 eV带隙、20-30 nm窄分布及强磁性回收特性，同时展现出对大肠杆菌等细菌的显著抑制作用，证实其作为低成本、可重复使用的环保水处理材料的潜力。
汉尼·M·阿卜杜勒-拉蒂夫（Hany M. Abd El-Lateef）| 莫艾·M·哈拉夫（Mai M. Khalaf）| 玛纳尔·F·阿布·塔勒布（Manal F. Abou Taleb）| 马哈茂德·A·阿卜杜勒-阿齐兹（Mahmoud A. Abdelaziz）| 穆罕默德·古达（Mohamed Gouda）
沙特阿拉伯法赛尔国王大学（King Faisal University）理学院化学系，阿尔-阿赫萨（Al-Ahsa）31982
摘要
本研究的目的是合成锶铁氧体（SrFe2O4）磁性纳米颗粒（MNPs），测定并评估其对刚果红（Congo red）染料的光催化活性以及抗菌活性。通过响应面方法（Response Surface Methodology, RSM）优化了光催化活性相关因素。采用溶胶-凝胶自燃烧法制备了SrFe2O4 MNPs，并通过XRD、XPS、VSM和UV-Vis漫反射光谱对其进行了表征。在可见光条件下，研究了不同染料浓度、催化剂用量、pH值和反应时间对光催化活性的影响。使用RSM（Box-Behnken）设计进行了工艺优化。抗菌活性通过琼脂扩散法（agar well-diffusion method）对选定的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌进行了检测，毒性则通过Microtox?试剂盒进行评估。结果表明，合成的SrFe2O4 MNPs具有规则的六方晶体结构，粒径分布较窄（约20-30 nm），带隙能量约为2.03 eV，并具有铁磁性，便于通过磁场分离。在优化条件下，可见光下可实现刚果红100%的降解。该光催化剂表现出优异的稳定性，即使经过五次循环处理后，降解效率仍保持在82.6%。此外，SrFe2O4 MNPs对大肠杆菌（E. coli）具有显著的抑菌效果，且毒性较低。这些发现表明，SrFe2O4 MNPs是一种高效、可回收且环保的光催化剂，在可见光下具有优异的光催化性能和抗菌特性，对可持续废水处理具有重要意义。
引言
水污染是众多环境问题中最严重的问题之一，其对生物体和生态系统健康的危害深远，对工业可持续发展至关重要[1]、[2]。纺织、印刷和造纸等行业的发展导致废物非法直接排放到自然水体中[3]、[4]。其中，偶氮染料（尤其是刚果红）具有毒性且不可生物降解，常规废水处理方法难以有效去除[5]、[6]、[7]。这些污染物对水生生物造成危害，致癌性和致突变性污染物对人类健康构成严重威胁[8]、[9]。无节制和过度用水的问题凸显了开发高效、可持续的水处理技术的必要性[9]、[10]、[11]。
由于合成染料具有多样化的稳定性和复杂的分子结构，传统的废水处理技术（如混凝、吸附、生物处理和膜过滤）无法完全去除这些污染物[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。因此，氧化技术（尤其是光催化）成为去除顽固有机污染物的有效方法[17]、[18]、[19]。这些技术利用光催化剂产生活性物质，将复杂染料分解为无害的产物（如CO2和H2O）[20]、[21]。光催化水处理是一种可持续且有效的方法，利用半导体捕获太阳光或人工光来驱动化学反应[22]、[23]、[24]。其原理是光激发半导体产生电子-空穴对，这些粒子在催化剂表面参与氧化还原反应[25]、[26]、[27]、[28]。
磁性纳米颗粒，特别是锶铁氧体MNPs（SrFe2O4 MNPs），因具有理想的性质而在光催化领域受到广泛关注[29]。在所有MNPs中，SrFe2O4 MNPs因高稳定性、可调带隙和可恢复的磁性而脱颖而出，成为废水处理的理想候选材料。许多基于铁氧体的纳米材料也具有光催化性能，因为它们具有较大的表面积、有效的电荷分离能力和磁性[30]、[31]。同时具备光催化和磁性的特性使得这些纳米颗粒能够通过磁场从水中回收，解决了催化剂损失和重复利用的问题。SrFe2O4 MNPs在可见光范围内能很好地吸收光，因此在这一应用中具有巨大潜力。
近年来，耐药细菌的出现成为全球性的健康威胁，亟需新型抗菌材料。研究表明，银（Ag）、氧化锌（ZnO）、氧化铝（Al2O3）和二氧化钛（TiO2等金属及氧化物纳米颗粒具有优异的杀菌效果，但它们通常具有高毒性，限制了其在生物医学领域的应用[32]。相比之下，氧化铁纳米颗粒（IONPs）在体外和体内均具有生物相容性和抗菌性，成为更具有前景的材料。其中赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）和褐铁矿（Fe2O3·H2O）均表现出强杀菌效果且对人体细胞无毒[33]。最近的研究还发现，共沉淀法制备的M型SrFe2O4 MNPs对多种细菌具有显著的抗菌作用[34]。
尽管基于铁氧体的光催化剂具有多种优点（如高磁回收率、良好的晶体结构和简单的合成工艺），但也存在一些缺点，如结晶度低、合成难度大、结构复杂和成本高等。本文报道了采用低成本简单溶胶-凝胶法合成的SrFe2O4 MNPs，这些纳米颗粒具有高结晶度、均匀的形态和内在磁性，提升了可见光下的光催化性能，并便于磁分离和再利用。
本研究旨在通过多种技术合成并表征SrFe2O4 MNPs，评估其在可见光照射下对刚果红染料降解的光催化效果。通过分析材料的光学、结构和磁学性质，探讨其结构与性能之间的关联，并提出降解机制。结果表明，SrFe2O4 MNPs在可见光下作为光催化剂具有巨大潜力，为处理含有活性染料的废水提供了廉价可靠的技术方案。
材料与试剂
用于合成SrFe2O4 MNPs的化学试剂均为分析纯，无需进一步纯化：硝酸锶（Sr(NO3)2（≥99%）、九水合硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O（≥99%）、柠檬酸（C6H8O7（≥99%）、氨水（NH4OH，25%）和乙醇（C2H6O，≥99%），均由Alfa Aeser公司提供。
SrFe2O4 MNPs纳米颗粒的合成
采用溶胶-凝胶自燃烧法制备SrFe2O4 MNPs。按化学计量比称量硝酸锶（Sr(NO3)2和九水合硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O
形态与结构特征
透射电子显微镜（TEM）图像显示，SrFe2O4 MNPs呈纳米级尺寸，在蒸发过程中因范德华力作用出现轻微团聚（图1a和1b）。虽然部分区域含有圆形颗粒，但整体形态不规则，表面不光滑。
粒径约为20 nm，证实了SrFe2O4 MNPs的成功合成。这种尺寸控制有助于获得理想的纳米结构。
结论
本研究成功合成了SrFe2O4磁性纳米颗粒（MNPs），并验证了其光催化和抗菌性能。这些颗粒具有六方晶体结构、纳米级尺寸（20–30 nm）、铁磁性（磁化率14.96 emu/g）以及2.03 eV的带隙能量，表明它们可在可见光下发挥光催化作用。在优化条件下，经过五次循环处理后，刚果红染料实现了100%的降解，显示出优异的性能。
CRediT作者贡献声明
莫艾·M·哈拉夫（Mai M. Khalaf）：负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据整理。汉尼·M·阿卜杜勒-拉蒂夫（Hany M. Abd El-Lateef）：负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据整理。马哈茂德·A·阿卜杜勒-阿齐兹（Mahmoud A. Abdelaziz）：负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、资金申请及数据分析。玛纳尔·F·阿布·塔勒布（Manal F. Abou Taleb）：负责撰写、审稿与编辑、数据整理。穆罕默德·古达（Mohamed Gouda）：负责撰写、审稿与编辑。
作者参与同意
所有作者均参与了本研究。
出版同意
所有作者同意发表本文。
伦理审批
不适用
利益冲突
作者声明不存在任何可能影响研究结果的利益冲突。
数据与材料获取
相关数据可向通讯作者索取。
资助
本研究得到了沙特阿拉伯法赛尔国王大学研究生与科学研究办公室（Deanship of Scientific Research, Vice Presidency for Graduate Studies and Scientific Research, King Faisal University）的资助（项目编号：GRANT KFU254790）。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢沙特阿拉伯法赛尔国王大学研究生与科学研究办公室提供的财务支持（项目编号：GRANT KFU254790）。
