研究人员创建纳米结构以有效和可持续地降解污染物

对可持续和环境友好型解决方案的需求加速了全球对绿色和可再生技术的需求。在这方面，半导体光催化剂因其在减少污染物和有效利用太阳能方面的潜力而成为一种有吸引力的解决方案。光催化剂是暴露在光下时引发化学反应的材料。

尽管取得了进步，常用的光催化剂仍存在光催化活性降低和可见光谱内操作范围狭窄的问题。此外，它们很难从水基溶液中回收，限制了它们在连续工艺中的应用。

铁酸铋(BiFeO3)具有窄带隙和磁性，是一种有吸引力的替代光催化剂。BiFeO3的窄带隙允许有效利用可见光区域的光将电子从价带激发到导带，留下空穴。激发的电子和空穴都可以引发化学反应，导致水溶液中污染物的降解。

此外，铁磁性使得BiFeO3能够容易地从溶液中回收。然而，与普通光催化剂类似，BiFeO3也会遭受电子空穴对的快速复合，严重限制了其光催化活性。

为了解决这个问题，由日本东京工业大学创新研究所副教授Tso-FuMarkChang领导的研究小组开发了新型金(Au)纳米粒子装饰的BiFeO3纳米晶体。他们的研究成果于4月5日在线发表在《ACSAppliedNanoMaterials》杂志上。

Chang博士解释说：“由于Au纳米粒子独特的局域表面等离子体共振，BiFeO3中掺入Au纳米结构可以为光降解反应引入更多的活性位点，并且BiFeO3中的激发电子向金域的转移抑制了光降解反应的发生。”新开发的Au修饰的BiFeO3纳米晶体利用了两种机制的协同特性。”

研究人员通过水热合成方法和简单的溶液工艺制备了Au-BiFeO3纳米晶体，并用不同量的Au修饰BiFeO3。该团队通过评估Au-BiFeO3纳米晶体降解亚甲基蓝(MB)(一种常见的牛仔布染料)的功效，优化了它们的光催化活性。MB高度溶于水，对水生生物和人类健康构成重大风险。这也使其成为测试光催化剂功效的理想污染物。

实验表明，按重量计，含1.0%Au的样品表现出最佳活性，在500瓦氙灯下120分钟内实现了令人印象深刻的98%降解效率。此外，在四次120分钟的循环后，它还保留了80%的原始活性，表现出优异的稳定性。此外，Au对BiFeO3磁性能的影响可以忽略不计，表明其具有优异的可回收性。

研究人员还研究了金增强光催化活性的机制。当Au-BiFeO3纳米晶体被合适波长的光照射时，BiFeO3中的电子被激发到导带。

与裸BiFeO3中发生的复合不同，Au的引入具有比BiFeO3导带更小的负费米能级，有利于激发电子从导带转移到Au域，从而促进BiFeO3中的空穴。这增强了BiFeO3的光催化活性，使其更容易诱导水溶液中羟基自由基的产生。这些羟基自由基非常活跃，很容易攻击水溶液中的MB分子，从而将其转化为无害的产物。

“这些发现增强了我们对光催化中金-半导体相互作用的理解，并为先进纳米晶体材料的设计和开发铺平了道路，”张博士评论道。“总的来说，我们的研究强调了Au-BiFeO3的有前途的活性和可回收性，强调了它在有效和可持续的环境污染物降解方面的潜力。”