《Materials Chemistry and Physics》：Unveiling Radical Trapping in La
2O
3 Nanoparticles Under Hydrothermal Temperature Variations for Enhanced Photocatalysis
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La?O?纳米颗粒通过水热法合成并表征，探究150°C和200°C对晶型（立方相）、结晶尺寸（17.36-20.21 nm）及光催化性能的影响，发现高温提升结晶度并抑制缺陷，带隙从5.01 eV降至4.79 eV，羟基自由基主导降解MB（90.9%）和RhB（85.2%）。
S. Rahul | Amal George | C. Dominic Savio | A. Dhayal Raj | S. Adarsh Rag | D. Daniel Lawrence
印度泰米尔纳德邦蒂鲁帕图尔（Tirupattur-635601）圣心学院（Sacred Heart College, Autonomous）物理系
摘要
本文探讨了通过水热法在150°C和200°C反应温度下合成的La2O3纳米粒子的合成、表征及其光催化活性。这些温度是基于初步优化和文献报告选定的，旨在平衡成核、结晶度提升和缺陷抑制。XRD分析验证了立方相La2O3的形成，其平均晶粒尺寸分别为17.36 nm和20.21 nm，并且随着温度的升高，结晶度有所改善。拉曼光谱（Raman spectroscopy）观察到了振动模式，紫外-可见光（UV-Vis）分析显示了温度依赖性的光学带隙变化，这是光学特性的特征。形态学研究显示，纳米粒子呈圆形，尺寸在52至60 nm之间。光致发光（PL）光谱表明，较高的合成温度通过减少结构缺陷降低了载流子的复合，从而提高了光学性能。此外，光催化实验表明La2O3纳米粒子对亚甲蓝（MB）和罗丹明B（RhB）染料的降解遵循一级动力学。在汞光下的降解效率分别为90.9%和85.2%，相应的速率常数为1.39 x 10-2 min-1和1.08 x 10-2 min-1。清除剂测试表明，主要的活性物种是羟基自由基（OH），因为异丙醇对光催化活性有显著影响，而EDTA和苯醌则显示出空穴和超氧自由基的次要作用。这些发现明确了La2O3纳米粒子的温度、结构和性能之间的关系，表明可以通过调节带隙来实现光催化性能的优化，使La2O3成为环境修复和先进纳米技术应用中具有前景的光催化剂。
引言
鉴于当前的环境问题，工业界开始在纺织品、纸张、皮革、印刷品和食品着色中使用有机染料[1]。当染料使用量巨大时，会导致有害废物释放到水中，从而损害水生生物。有毒物质进入环境会干扰水生态系统，破坏各种生物的生存并降低水质。由于这些污染物在水中分解需要很长时间，因此有效处理对于保护环境至关重要[1]、[2]。水中的染料可能导致呼吸系统感染、眼睛刺激和多种皮肤疾病。同时，染料还会污染水源，使得寻找安全饮用水、进行日常活动以及农业用水变得更加困难[2]、[3]、[4]。为解决这些关键问题，科学家们正在探索替代的水处理方法。本研究中发现的一种最有前景的技术是异相光催化，它能够将多种有机污染物降解为无害化合物，包括CO2、H2O、NO3-、PO43-和卤离子[4]、[5]、[6]、[7]。然而，在这些污染物的分解效率方面，所选光催化剂仍然是一个问题[8]。Jaihindh等人报道了一种Z型结构的CuO/ZnO气凝胶光催化剂，由于高效的电荷分离、高孔隙率和较强的羟基自由基活性，能够快速且完全地降解RhB染料，并且具有优异的可重复使用性和稳定性[9]。
许多光催化应用依赖于半导体，主要是金属氧化物[10]、[11]、[12]、[14]，这些材料取得了巨大成功。近年来，基于稀土的氧化物因其独特的电子结构、丰富的表面氧空位、强的氧化还原能力和高抗光腐蚀性而受到越来越多的关注，这些特性共同增强了载流子分离和催化剂的耐久性。在这些材料中，镧氧化物（La2O3）因其宽的带隙、强的亲氧性、高的表面碱性和在光照下生成活性氧物种的能力而成为一种有前景的光催化剂[15]。在所有稀土金属中，镧（La）因其较低的离子半径和与氧的强结合能力而脱颖而出。通过调节合成温度，可以控制La2O3纳米结构的结晶度、带隙能量和表面缺陷密度，从而直接影响光催化效率。此外，由于镧是世界上最常见的稀土元素之一，且价格相对较低，因此非常适合用于低成本的光催化应用。进一步的研究对于保护环境和公共健康具有重要意义，可以大大减少工业污染物对自然和水资源的影响[16]。
本研究重点研究了使用水热法制备La2O3纳米粒子的方法，并探讨了不同温度对其性能的影响。对合成的纳米粒子进行了全面表征，并通过有机染料的降解实验评估了其光催化性能。同时，通过关联带隙变化、缺陷抑制和活性自由基的产生机制，阐明了La2O3纳米粒子作为高效稳定光催化剂在废水处理中的优势。
材料
用于制备镧氧化物纳米粒子的主要前驱体是La(NO3)3•6H2O和NH4OH。乙醇用作洗涤试剂。所有化学品（均为AR级）均从印度默克公司（Merck）购买。
La2O3纳米粒子的合成
La2O3纳米粒子的合成过程首先将0.1摩尔的La(NO3)3与0.1摩尔的六亚甲基四胺（HMTA）混合并充分搅拌以确保均匀性。然后通过加入氨水（NH4OH）将溶液的pH值调整至10。
结构分析
采用XRD技术对合成的La2O3纳米粒子进行了结构分析，这是一种获取晶粒尺寸和结构详细信息的基本且重要的方法。图1（a）展示了在150°C和200°C下合成的La2O3纳米粒子的XRD图谱。图中观察到的显著峰对应于立方晶相La2O3的独特性质（见图1（b）。
结论
镧氧化物（La2O3）作为一种稀土元素，以其间接带隙半导体特性而闻名，通过水热技术在不同温度下制备。XRD确认了La2O3纳米粒子的立方结构，其在150°C和200°C下的晶粒尺寸分别为17.36 nm和20.21 nm。UV-Vis和Tauc图显示，随着温度的升高，带隙从5.01 eV略微减小至4.79 eV。FTIR在643 cm-1和678 cm-1处的峰证实了La2O3的成功形成。
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本手稿时，作者使用了ChatGPT（版本5.2）来提高语言清晰度和语法。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
Daniel Lawrence D：概念构思、资源提供、监督、验证。
AMAL GEORGE：验证、监督。
Dominic Savio C：可视化、验证、监督、概念构思。
Rahul S：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析。
Dhayal Raj A：可视化、验证、监督、方法论研究、数据分析。
Adarsh Rag S：可视化、验证、监督、资源获取。
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的研究结果。
致谢
作者衷心感谢Sacred Heart College (Autonomous)管理层提供的财务支持，该支持来自Don Bosco研究基金（SHC/DB Grant/2025-26/01）。
