在CuFe?O?-CeO?-hBN异质结构中，电荷分离效应得到增强，从而实现了高效的染料光降解和抗菌还原作用

光催化纳米复合材料CuFe2O4-CeO2-h-BN通过超声和溶剂热法合成，具有1.05 eV窄带隙和优异可见光吸收。经XRD、SEM、XPS等表征证实其异质结结构，对甲基橙和甲基蓝的120分钟降解率分别达95%和94%。同时表现出显著抗菌活性，有效抑制E. coli、P. aeruginosa等耐药菌生长。

　　

作者列表： Esakkimuthu Shanmugasundaram | Gunasekar Vijay | Shen Ming Chen | Z. Mohamed Riyas | Sibiya Ashokkumar | Manikandan Ayyar | M. Ehthishamul Haque | Raj Kumar Ramasamy | Mohd. Shkir | S. AlFaify 印度马杜赖Thiagarajar工程学院化学系，邮编625015

摘要

光催化技术的应用为解决环境污染问题提供了有前景的方案，尤其是在降解有机污染物方面。该领域的最新研究集中在开发具有更高效率和稳定性的可见光响应光催化剂上。在本研究中，通过超声波和水热法成功合成了新型CuFe?O?-CeO?-h-BN三元纳米复合材料，形成了结构良好的异质结。利用XRD、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和比表面积（BET）分析了该材料的结构和表面形态。光学分析表明，材料的带隙能从原始的CuFe?O?（1.47 eV）逐渐降低到CuFe?O?-CeO?（1.31 eV）、CuFe?O?-h-BN（1.24 eV），最终降至CuFe?O?-CeO?-h-BN（1.05 eV），表明该复合材料的可见光吸收能力显著提高。通过监测甲基蓝（MB）和甲基橙（MO）在可见光照射下的降解情况来评估其光催化活性。同时，还使用琼脂孔扩散法测试了CuFe?O?-CeO?-hBN三元纳米复合材料对大肠杆菌（E. coli）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）的抗菌效果。结果显示，这种三元复合材料在120分钟内对MB的降解效率达到94%，对MO的降解效率达到95%，超过了二元催化剂和原始催化剂的表现。这种增强的光催化效率归因于CuFe?O?、CeO?和h-BN之间的协同作用，这有助于有效分离电荷和捕获光能。CuFe?O?-CeO?-h-BN三元纳米复合材料在染料的光降解方面表现出优异的性能。此外，该复合材料还表现出显著的抗菌效果，尤其是对大肠杆菌、铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌等有害细菌。

引言

有害物质和工业废物的不当排放到空气和水系统中导致了严重的环境问题，包括与污染相关的疾病、气候异常和全球变暖[1][2]。含有这些染料的废水会污染自然水源，威胁水生生态系统，并对人类健康构成威胁[3]。有机染料污染物对所有生命形式都构成重大风险，某些污染物对热和光具有抗性，从而导致水生环境富营养化。已经实施了多种策略来将这些污染物分解为不同的副产品。在描述的各种技术中，吸附和光催化降解被认为是处理染料溶液最有效的方法[4]。尽管在设计高效且经济可行的光催化剂方面付出了大量努力，但这些材料大规模生产对环境的影响尚未得到充分研究。解决这一问题对于确保光催化技术的长期可持续性和工业可行性至关重要[5]。近年来，结合了光催化剂和半导体材料的先进氧化过程（AOPs）在降解持久性有机污染物方面受到了广泛关注。这些技术的一个关键特点是它们能够在水系统中生成羟基自由基（•OH），这些自由基具有高度反应性，对于将污染物矿化为二氧化碳和水至关重要。在这方面，基于纳米材料的光催化剂为高效且环保的修复方法开辟了新的途径。由于纳米材料具有较高的表面积与体积比，因此提供了大量的活性位点用于吸附和降解污染物[6]。已有多种金属氧化物（如ZnO[7]、NiO[8]、CuO[9]、Fe?O?[10]、CdO[11]、TiO?[12]）以及贵金属氧化物（如AgO[13]、Au?O?[14]、PtO?[15]）被广泛研究作为光催化剂。 其中，掺杂了其他金属离子的铁氧化物（如CuFe?O?）因其磁性和光学性质而显示出巨大的潜力。特别是铜铁氧化物（CuFe?O?）作为一种光芬顿催化剂受到了关注，因为它具有较高的可见光活性和优异的光电化学稳定性[16]。例如，S.P. Keerthana等人报告使用掺铈的CuFe?O?实现了88%的罗丹明B降解率[17]，而Julia Mazurenko等人在200分钟内仅实现了49%的沙弗兰宁染料降解率[18]。另一方面，CeO?是一种无机稀土氧化物，是一种有前景的光催化剂，能够降解染料分子。铈在氧化还原反应中能够在Ce3?和Ce??之间切换，其3.18 eV的带隙增强了其光催化效率。CeO?纳米颗粒还能捕获自由基，延长其寿命并改善整体光催化过程[19]。Awais Ahmad等人使用绿色合成的银修饰CeO?纳米颗粒实现了94%的溴酚蓝降解率[20]。 六方氮化硼（h-BN）是一种二维（2D）材料，结构类似于石墨烯，常被称为“白色石墨烯”。它具有强sp2共价键，赋予其高热稳定性和化学稳定性，并提高了其催化活性[21]。当h-BN与光催化剂结合时，可以借助其优异的光捕获性能、更多的活性位点和高效的电荷分离行为来增强催化性能。最近的研究支持了这类材料的潜力。例如，Jianwei Zhou等人使用h-BN/Bi?O?纳米复合材料实现了60%的罗丹明B降解率[22]。 在这项工作中，我们重点关注CuFe?O?、CeO?和h-BN材料在光催化应用中的积极作用。我们制备了一种三元CuFe?O?-CeO?-hBN纳米复合材料，由于其组分的协同效应，显著提高了光催化性能。CuFe?O?作为一种具有窄带隙的可见光活性半导体，有助于光吸收和光生载流子的生成。CeO?通过其氧化还原循环能力和氧气储存能力有效捕获电子并抑制电荷重组。h-BN的加入提供了较大的表面积、显著的稳定性和增强的污染物吸附能力，共同改善了颗粒分散性和界面电荷转移。复合材料中的异质结形成提高了载流子迁移率，并延长了电子-空穴对的寿命，从而在可见光照射下表现出优异的光催化活性。本研究的主要目的是探讨水热法合成的CuFe?O?-CeO?-hBN纳米复合材料的光催化和物理化学性质。使用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等分析技术对样品进行了表征。此外，该复合材料在可见光照射下实现了94%的甲基蓝降解率和95%的甲基橙降解率，这一卓越的表现突显了本研究的主要创新性。光催化降解研究证实了这种三元纳米复合材料的优异性能，证明了其作为高效可见光驱动光催化剂在可持续去除水系统中有机污染物方面的潜力。这项研究为下一代光催化剂的开发提供了宝贵的见解，具有商业应用价值。 如今，全球纳米技术产业正在呈指数级增长，促进了多个行业的创新，并提升了消费产品的性能。纳米材料被应用于材料科学、电子、医学和能源等多个领域。一个特别有前景的创新领域是使用纳米材料开发抗菌剂，以应对耐抗生素细菌带来的严峻挑战。由于抗生素的过度使用和滥用，细菌中的多重耐药基因导致抗生素耐药性问题日益严重，成为医疗专业人员面临的最大问题之一。引起各种疾病（包括肺炎、心内膜炎和外毒素综合征等系统感染，以及轻微的局部皮肤病变和潜在的致命深层组织损伤）的主要多重耐药人类病原体包括大肠杆菌（E. coli）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）。大多数用于治疗人类感染的抗菌药物对这些多重耐药细菌具有抗性，这带来了重大的治疗问题。迫切需要开发新的、具有抗菌特性的分子，并减少抗生素耐药性的刺激。鉴于合成药物的更多副作用、高昂的成本以及微生物对合成药物的耐药性，研究人员越来越关注使用纳米材料的好处。基于这些方面，本研究强调了使用纳米材料对抗多重耐药细菌的重要性[23]。

化学品

硝酸铁（Fe(NO?)?·3H?O）、硝酸铜（Cu(NO?)?·3H?O）、六水合硝酸铈（Ce(NO?)?·6H?O）、块状六方氮化硼、氢氧化钠颗粒（NaOH）、乙醇、去离子水，所有化学品均从Sigma Aldrich India购买（纯度99.9999%），如需进一步纯化可另行处理。

CuFe?O?纳米颗粒的制备

通过将硝酸铜（Cu(NO?)?·3H?O）和硝酸铁（Fe(NO?)?·9H?O）前驱体溶解在去离子水中并不断搅拌，制备了0.1 M的溶液，以确保形成均匀的混合物。

XRD和拉曼分析

图2(a)显示了CuFe?O?、CuFe?O?-CeO?、CuFe?O?-h-BN和CuFe?O?-CeO?-h-BN纳米复合材料的X射线衍射（XRD）图案。原始的CuFe?O?在2θ值约为18.3°（003）、30.1°（220）、35.6°（311）、43.2°（400）、53.5°（422）、57.1°（511）和62.6°（440）处显示出明确的衍射峰，这些峰对应于立方尖晶石相（JCPDS No. 34-0425）的特征反射。尖锐且强烈的峰表明了高结晶度和良好的相纯度。

结论

总之，通过超声波和水热法成功合成了一种由CuFe?O?、CeO?和h-BN组成的新型三元纳米复合材料。形成的良好定义的异质结将带隙能显著降低至1.05 eV，从而增强了可见光吸收和光催化效率。通过XPS、HRTEM、SEM、拉曼光谱和XRD的全面表征，确认了该复合材料的结构完整性、形态特征和化学组成。

CRediT作者贡献声明

Z. Mohamed Riyas：方法学 Shen Ming Chen：监督、项目管理和资金获取 Gunasekar Vijay：写作——审稿与编辑、软件使用、实验研究 Esakkimuthu Shanmugasundaram：写作——审稿与编辑、初稿撰写、概念构思 S. AlFaify：资金获取 Shkir Mohd：验证 Raj Kumar Ramasamy：数据管理 M. Ehthishamul Haque：软件使用 Manikandan Ayyar：形式分析 Sibiya Ashokkumar：验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会（NSTC）在项目编号NSTC 114-2113-M-027-008下提供的资助。作者还感谢King Khalid大学的研究与研究生院通过项目编号RGP2/643/46提供的资金支持。