在掺铁的CdS中，通过增强磁场来提高自旋极化，从而实现光催化超氧化物的生成以及铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）的去除

《Environmental Research》：Magnetic field-enhanced spin polarization in Fe-doped CdS for photocatalytic superoxide generation and Microcystis aeruginosa removal

本研究通过Fe掺杂CdS制备磁性半导体，利用掺杂扩展光吸收并减少载流子复合，效率较未掺杂CdS提升14.25倍。施加磁场后，载流子分离效率与表面ROS生成增强，灭藻效率再提升2.5倍，为高效水处理材料提供新方案。

　　

Jinyu Zhu|Yilin Dong|Qiuwen Wang|Jinlong Han|Zexun Li|Andrzej Kraslawski|Zhijun Ren|Pengfei Wang

天津工业大学能源与环境工程学院清洁能源与污染物控制重点实验室，中国天津300401

摘要

光催化灭藻技术已成为广泛采用的水处理方法，但其效率仍受限于光生电子的快速复合以及传统半导体中活性氧（ROS）生成不足的问题。为了解决这些问题，我们通过在CdS中掺杂Fe（Fe-CdS）制备了一种自旋极化的稀磁半导体。Fe的掺杂扩展了光吸收范围，并减少了光生载流子的复合，从而使藻类灭活速率提高了14.25倍。此外，在外加磁场的作用下，自旋调控效应显著增强了光生电荷分离并促进了表面ROS的生成。在磁场作用下，Fe-CdS的光催化灭藻速率比无磁场时提高了2.5倍。这项工作不仅展示了一种新型的磁性离子掺杂方法来设计自旋活性光催化剂，还为提高藻类去除性能提供了一种通用的磁场调控策略。

引言

近年来，水体富营养化的加剧导致有害藻华（HABs）在全球范围内广泛发生（Wang等人，2018年；Xu等人，2022年）。作为饮用水源中最具代表性的有毒有害蓝藻之一，微囊藻（M. aeruginosa）受到了广泛关注。M. aeruginosa不仅通过消耗溶解氧破坏饮用水质量，还会释放微囊藻毒素等潜在毒素，对人类健康和水安全构成威胁（Janssen，2019年；Zeng等人，2024年）。因此，迫切需要开发有效的M. aeruginosa灭活方法。迄今为止，已经探索了许多藻类去除技术，包括超声处理（Peng等人，2023年）、吸附（Zhao等人，2024年）、膜过滤（Lin等人，2025a年）、化学絮凝（Zhu等人，2020年）和杀菌剂（Zhang等人，2019年）。然而，传统方法耗时较长、效率低下且容易引起二次污染（Lin等人，2025b年）。相比之下，光催化技术因其低能耗和环境友好性而被广泛应用于有效去除藻类（Fan等人，2020年；Yang等人，2024年）。

光催化技术利用光诱导的电子-空穴对生成活性氧（ROS，包括超氧阴离子（·O₂^?）、单线态氧（¹O₂）和羟基自由基（·OH）），成为缓解有害藻华的有效策略（Ji等人，2020年；Lu等人，2022年）。然而，传统半导体光催化剂的广泛应用受到两个固有限制：光生载流子的快速复合和ROS生成效率不足（Wei等人，2025年）。最近在外加场辅助光催化（包括电场、微波、压电和磁场）方面的进展显示出显著潜力，能够显著增强电荷分离动力学（Xia等人，2023年；Chen等人，2019年；Li等人，2021年）。特别是磁场调控因其非侵入性和节能特性而受到特别关注（Zhu等人，2024年）。然而，非磁性半导体的固有磁响应较弱，因此需要开发具有定制电子结构的创新磁响应光催化材料（Xia等人，2024年；Chen等人，2021年）。

电子自旋作为一种内在的量子属性，对于提高光催化性能至关重要。自旋极化可以直接促进光生载流子快速迁移到催化剂表面进行氧化还原反应（Guo等人，2024年；Ren等人，2021年）。为了解决这一挑战，我们开发了一种掺铁的稀磁半导体（Fe-CdS），利用掺杂剂诱导的自旋极化显著提高了电荷分离效率。实验结果表明，Fe的掺入重构了CdS的电子结构，促进了光电子的表面迁移。Fe-CdS系统对M. aeruginosa的去除率达到83.02%，其光催化灭藻效率比未掺杂的CdS高14.25倍。此外，外加磁场通过塞曼效应增强了自旋依赖的电荷分离，有效延长了自旋对齐载流子的寿命。在磁场作用下，效率进一步提高了2.5倍。这种“内在自旋工程与外在磁场调控”的双重优化策略优于传统的单一因素修饰方法，实现了前所未有的光催化性能。尽管稀磁半导体在光催化氢气生成（Gao等人，2023年）和CO₂还原（Lin等人，2022年）等能源相关应用中显示出潜力，但其在环境修复方面的应用，尤其是在藻类抑制和水净化方面，仍尚未得到充分开发。我们的工作不仅开创了自旋调控光催化剂在藻类控制中的应用，还为环境催化中自旋自由度调控的作用提供了基础性见解。通过弥合磁性材料设计与实际应用之间的差距，本研究为开发高效、节能的水污染控制解决方案开辟了新的途径。

章节摘录

一步水热合成Fe掺杂CdS

Fe掺杂的CdS纳米微球是按照报道的方法（Gao等人，2023年）合成的。通过控制水热法制备了一系列Fe掺杂的CdS纳米催化剂（表示为Fe_x-CdS，其中x = 0.01、0.03、0.05和0.07代表Fe的摩尔比）。典型的Fe掺杂CdS（Fe_0.05-CdS）合成步骤如下：将0.95 mmol的Cd(CH₃COO)₂、0.05 mmol的Fe(CH₃COO)₂和1.5 mmol的CH₃CSNH₂溶解在40 mL去离子水中

光催化剂的制备与表征

复合光催化剂的样品合成过程如图1a所示。通过调整Fe的含量，制备了一系列催化剂（Fe_0.01、Fe_0.03、Fe_0.05和Fe_0.07），并以此作为研究磁场增强光催化机制的模型。图1b显示了复合材料的XRD图谱，以及不同掺杂量下光催化剂的晶体结构。结果表明，掺杂后的强衍射峰与

结论

总体而言，通过简单的水热方法成功合成了一种新型的稀磁半导体Fe-CdS光催化剂。研究表明，向CdS中引入Fe以产生自旋极化带，然后施加磁场以诱导自旋极化带分裂，可以显著提高CdS的光催化性能。结果表明，在磁场作用下，自旋极化的光催化剂显著提高了藻类的去除效率

CRediT作者贡献声明

Jinyu Zhu：撰写——原始草稿、实验研究、数据分析。Yilin Dong：撰写——审稿与编辑。Qiuwen Wang：数据验证。Jinlong Han：实验研究。Zexun Li：概念设计。Andrzej Kraslawski：指导与监督。Zhijun Ren：指导与资金获取。Pengfei Wang：指导与资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52211530084、52470033、42277059和22422605）、中德科学合作中心（M-0100）以及天津市青年科技人才项目（第二层次）（QN20230206）的财政支持。