可见光驱动Fe2O3-hBN复合催化剂开发及其对新兴污染物的高效降解研究

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Development of visible-light-active Fe 2O 3-hBN photocatalysts for sustainable degradation of emerging pollutants under simulated sunlight conditions

本研究针对水体中有机污染物难降解问题，通过干法浸渍制备了不同负载量（0.2-2 wt%）的Fe2O3-hBN复合光催化剂。表征显示0.5 wt%样品具有最优可见光吸收（带隙2.7 eV）和电荷分离效率，在模拟太阳光下120分钟内实现亚甲基蓝（80%）和布洛芬（70%）的高效降解，自由基捕获实验证实超氧自由基（O2•?）和光生空穴（h+）为主导活性物种。该研究为太阳能驱动的水体净化提供了新型高效催化剂设计策略。

　　

随着工业快速发展，合成染料和药物残留等新兴有机污染物持续进入水体环境，其高毒性、难降解特性对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统水处理技术难以有效去除这类微量污染物，而太阳能驱动的光催化技术因其绿色、高效的特点成为研究热点。然而常用光催化剂如二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO）存在带隙宽（>3.2 eV）、仅响应紫外线（占太阳光谱不足5%）及载流子复合快等瓶颈。开发可见光（占太阳光谱45%）响应的新型光催化材料成为突破该领域技术壁垒的关键。

在此背景下，六方氮化硼（hBN）因其独特的二维层状结构、高比表面积和优异化学稳定性，被视为理想的催化剂载体材料。尽管其自身宽带隙（~5.5 eV）限制光催化活性，但与窄带隙半导体耦合可有效促进电荷分离。三氧化二铁（Fe₂O₃，赤铁矿）作为可见光响应半导体（带隙~2.1 eV），具有储量丰富、环境友好等优势，但面临载流子迁移率低、易团聚等问题。将Fe₂O₃与hBN构建异质结复合材料，有望整合二者优势，实现高效太阳能转化。

本研究采用干法浸渍结合煅烧工艺，制备了系列Fe₂O₃负载量（0.2-2 wt%）的Fe₂O₃-hBN复合材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、紫外-可见漫反射（UV-Vis DRS）、光致发光（PL）等表征手段系统分析材料结构、光学及表面性质；以亚甲基蓝（MB）和布洛芬（IBP）为目标污染物，评估模拟太阳光下（300 W氙灯）的光催化性能；通过自由基捕获实验阐明反应机制。

关键技术方法

研究通过干法浸渍控制Fe₂O₃在hBN表面的分散度，结合500°C煅烧固化结构；利用XRD、SEM/TEM、BET（比表面积测试）、XPS（X射线光电子能谱）等表征材料晶体结构、形貌、孔隙及表面化学状态；通过UV-Vis DRS和PL光谱分析光学性能与载流子行为；采用高效液相色谱（HPLC）和紫外分光光度法定量污染物降解率；使用碘化钾（KI）、氯仿（CHCl₃）、异丙醇（IPA）作为空穴、超氧自由基和羟基自由基捕获剂，鉴定主导活性物种。

3. 结果与讨论

3.1. 表征分析

XRD显示0.5 wt% Fe₂O₃-hBN复合物仅呈现hBN特征峰，表明低负载量下Fe₂O₃高度分散（低于XRD检测限）。UV-Vis光谱证实复合材料可见光吸收范围扩展至650 nm，带隙降至2.7 eV，优于纯hBN（5.3 eV）和Fe₂O₃（2.1 eV）。PL光谱中复合物荧光强度显著淬灭，提示hBN与Fe₂O₃界面电荷转移效率提升。BET测试显示0.5 wt%样品比表面积达38.0 m²/g，介孔结构有利于污染物吸附。TEM和元素映射证实Fe₂O₃纳米颗粒（10-50 nm）均匀锚定于hBN片层。

3.1.1. MB和布洛芬降解

光催化实验表明，0.5 wt% Fe₂O₃-hBN性能最优，120分钟内对MB和IBP降解率分别达80%和70%，表观速率常数（k）分别为纯hBN的3.2倍和2.8倍。过高负载量（1-2 wt%）因颗粒团聚和光屏蔽效应导致活性下降。与文献报道的Fe₂O₃/石墨烯等材料相比，该复合材料在低负载量下展现出竞争优势。

3.2. 活性物种作用

自由基捕获实验显示，添加KI（空穴捕获剂）和CHCl₃（超氧自由基捕获剂）后降解率分别下降58%和63%，而IPA（羟基自由基捕获剂）仅引起28%抑制，证明光生空穴（h⁺）和超氧自由基（O₂^•?）为主要活性物种，羟基自由基（·OH）次之。

3.3. 反应机制

基于能带结构分析，Fe₂O₃的导带（+0.03 eV vs. NHE）与hBN（-1.30 eV）形成阶梯型异质结，光生电子从Fe₂O₃迁移至hBN后还原氧气生成O₂^•?，空穴直接氧化污染物或水分子产生·OH，协同实现MB/IBP降解。

4. 结论

本研究成功构建了高效稳定的Fe₂O₃-hBN可见光催化体系，通过优化Fe₂O₃负载量（0.5 wt%）实现了对典型染料和药物污染物的高效去除，揭示了超氧自由基主导的降解机制。该工作为设计低成本、太阳能驱动的环境修复材料提供了新思路，但实际废水应用中的复杂基质影响、催化剂回收等问题仍需进一步探索。论文发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》，对推动绿色水处理技术发展具有重要意义。