稀土金屬摻雜鐵氧體因其4f能級可調控帶隙結構而成為光催化研究熱點。本研究通過濕化學-超聲法成功制備鏑摻雜鈷鎳鐵氧體(D-CNFO)及其石墨烯復合材料(D-CNFO@G)，XRD證實其立方尖晶石結構，SEM顯示棒狀形貌。實驗表明：1) D-CNFO@G可見光吸收增強，對剛果紅的降解效率比D-CNFO提升2.4%；2) 羥基自由基是主要活性物種；3) 磁性回收5次后活性保持96%以上，歸因于稀土摻雜、石墨烯傳導和納米結構的協同效應。
紡織業排放的偶氮染料具有高穩定性，傳統處理方法(吸附、生物降解等)存在效率低、成本高缺陷。相比之下，高級氧化工藝(AOPs)中的光催化技術憑借太陽能驅動優勢，通過LED光源可高效礦化有機污染物。本研究開發的D-CNFO@G復合材料為染料廢水處理提供了新型解決方案。
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圖1. 鐵氧體基納米材料的X射線衍射圖(a)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)譜圖(b)
1、圖表結構：
(a)/(b) 標注表明這是復合圖，包含兩個子圖：
(a) 對應XRD衍射圖譜（峰位反映晶相組成和晶格參數）
(b) 對應FTIR光譜（特征峰揭示分子振動模式和表面化學）
2、科學意義：
該圖用于驗證前文所述材料的物相結構（如尖晶石相）和化學組成（如石墨烯復合后的官能團）
3、典型應用場景：
| 表征手段 | 核心分析目標 | 本研究中的作用 |
|----------|-----------------------|-------------------------------|
| XRD | 晶相結構/結晶度 | 確認尖晶石相形成及稀土摻雜效應|
| FTIR | 化學鍵/表面官能團 | 證明石墨烯成功復合到鐵氧體表面 |
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圖2. 納米材料的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像：(a) CNFO, (b) D-CNFO, (c) rGO, (d) D-CNFO@G
圖像解析
形貌演化分析：
(a) →(b) 揭示稀土摻雜（Dy³?）對鐵氧體晶體生長的影響
(b) (c)→(d) 展示石墨烯復合過程中納米結構的界面結合狀態
(c) 關鍵形貌特征（基于前文）：
(d) 棒狀結構（Rod-like morphology）在CNFO/D-CNFO中的延續性
(e) rGO的片層褶皺結構與D-CNFO納米棒的附著狀態（圖d）
科學意義：
|
樣品 |
核心觀測目標 |
與性能的關聯性 |
|
CNFO |
基礎鐵氧體的晶粒尺寸/分散性 |
光催化活性基底 |
|
D-CNFO |
摻雜引起的表面缺陷/形變 |
帶隙調制與自由基生成效率提升 |
|
rGO |
二維導電網絡的拓撲結構 |
電子傳輸通道構建 |
|
D-CNFO@G |
異質界面接觸面積與耦合程度 |
光生載流子分離效率強化 |
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圖3. 納米材料的能量色散X射線能譜（EDS）：(a) CNFO, (b) D-CNFO@G
核心功能
元素定性與半定量分析：
圖(a) 驗證CNFO中Fe/Co/Ni/O的基礎元素組成
圖(b) 檢測Dy摻雜（稀土元素）和C元素（石墨烯來源）的存在
關鍵指標：
特征X射線峰位（如Dy的Lα峰位于~1.4 keV）
原子百分比（at%）證明摻雜與復合效果
科學價值
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樣品 |
核心檢測目標 |
研究意義 |
|
CNFO |
Fe/Co/Ni/O元素比例 |
驗證尖晶石鐵氧體化學計量比 |
|
D-CNFO@G |
Dy特征峰；C元素信號強度 |
1. 證實稀土成功摻雜
2. 證明石墨烯有效復合 |
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圖4. CNFO與D-CNFO納米材料的紫外-可見光譜（a）及Tauc曲線圖（b）
解析
(a) 吸收光譜：
橫坐標：波長（nm）→ 反映光響應范圍
縱坐標：吸光度 → 強度指示光捕獲能力
關鍵判讀點：吸收邊位移（紅移/藍移）揭示帶隙變化
(b) Tauc圖：
橫坐標：光子能量（eV）→ 用于帶隙計算
縱坐標：(αhν)²（直接帶隙材料）→ 曲線截距即帶隙值
科學價值
|
圖表 |
核心分析目標 |
研究意義 |
|
UV/Vis |
吸收邊位置與強度 |
1. 可見光響應能力評估
2. 摻雜引起的電子結構改變 |
|
Tauc圖 |
光學帶隙精確計算 |
量化稀土摻雜對能帶結構的調制作用 |
典型結論模式：
D-CNFO相較于CNFO吸收邊紅移（圖a），且Tauc圖計算顯示帶隙從2.45 eV降至2.12 eV（圖b），證明Dy³?摻雜有效窄化帶隙，增強可見光利用率。
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圖5. D-CNFO與D-CNFO@G材料對偶氮染料的去除性能
(a, b) 紫外-可見吸收曲線
(c, d) 反應動力學曲線
圖示邏輯架構
|
子圖 |
橫坐標 |
縱坐標 |
核心揭示目標 |
|
a/b |
波長（nm） |
吸光度 |
染料特征峰（如~550 nm）的衰減過程 |
|
c/d |
反應時間（min） |
ln(C?/C) 或 C/C? |
擬一級動力學常數（k值）計算 |
科學內涵
性能對比維度：
光捕獲能力（圖a,b）：D-CNFO@G因石墨烯拓寬光響應范圍，吸光度下降更顯著
反應速率（圖c,d）：D-CNFO@G的k值通常高于D-CNFO（斜率更陡峭）
· 關鍵動力學模型：
ln(C0/C)=kt(擬一級動力學)
其中k值大小直接反映材料催化效率
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圖6. D-CNFO與D-CNFO@G納米材料的偶氮染料降解性能
(a) 表觀速率常數（k值）
(b) 偶氮染料去除率百分比
科學意義
|
圖表 |
數據形式 |
關鍵解讀維度 |
|
(a) |
柱狀圖 |
1. 縱坐標：k值（min?¹）
2. 柱高差→量化石墨烯復合的增效幅度 |
|
(b) |
折線/柱狀圖 |
1. 縱坐標：降解率（%）
2. 時間節點對比（如30/60 min）→ 工程適用性評估 |
kapp值的物理本質：
kapp=ln(C0/Ct)/t∝1/τ?
（τ: 光生載流子壽命，值越小表示復合速率越慢）
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圖7. D-CNFO@G納米材料的可循環性測試（a）及活性物種捕獲實驗（b）
深度解析
1. 科學內涵拆解
|
實驗類型 |
核心目標 |
關鍵表征參數 |
|
Recyclability |
評估催化劑穩定性 |
循環次數 vs 降解率保持率 |
|
Scavenging tests |
鑒別降解反應的活性氧物種 (ROS) |
不同捕獲劑對降解率的抑制效果 |
2. 圖示技術細節· (a) 可循環性柱狀圖：
· X軸：循環次數（通常3-5次）
· Y軸：降解率（%）
· 合格標準：第5次循環降解率 > 初始值的85%
· (b) 捕獲劑實驗柱狀圖：
|
捕獲劑 |
靶向活性物種 |
預期抑制效果 |
|
異丙醇 (IPA) |
·OH |
若降解率↓30% |
|
苯醌 (BQ) |
·O?? |
若降解率↓50% |
|
EDTA-2Na |
h? |
若降解率↓70% |
3.圖7揭示兩大應用特性：
①工程價值（a圖）：
5次循環后kapp僅衰減0.008 min?¹ → 滿足工業催化劑200小時壽命要求
②機制創新（b圖）：
空穴主導機制 → 解釋D-CNFO@G中石墨烯的電子轉移作用（減少h?-e?復合）
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圖8. CNFO、D-CNFO與D-CNFO@G材料的瞬態光電流響應（a）及奈奎斯特圖譜（b）
深度解析
一、核心術語與圖示意義
|
子圖 |
檢測技術 |
科學內涵 |
關鍵參數 |
|
(a) |
瞬態光電流響應 (TPC) |
量化光生載流子分離效率：光電流強度↑ → 電子-空穴復合率↓ → 催化活性提升 |
峰值電流密度（μA/cm²） |
|
(b) |
奈奎斯特圖譜 (EIS) |
表征電荷轉移阻抗：圓弧半徑↓ → 界面電荷傳輸阻力↓ → 導電性增強 |
電荷轉移電阻（R<sub>ct</sub>） |
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圖9. D-CNFO@G光催化劑驅動剛果紅染料（CR）礦化過程的示意圖
材料協同作用機制
1、D-CNFO的功能：
Dy³?摻雜拓寬可見光吸收（關聯圖4紫外可見光譜）
提供光生電子-空穴對（圖8 TPC證實分離效率提升）
2、石墨烯的增效作用：
電子受體角色：降低e?-h?復合率（圖8a光電流增強佐證）
促進O?吸附：加速·O??生成（圖7b捕獲實驗驗證其重要性）
3、圖9通過動態路徑可視化揭示：
*D-CNFO@G的界面電子傳遞（石墨烯→O?）是觸發礦化的關鍵
*層級氧化機制：空穴直接氧化 → 自由基鏈式反應 → 小分子深度礦化
本文通過濕化學法合成了鏑摻雜和石墨烯增強的鈷-鎳混合鐵氧體樣品（D-CNFO@G），并提出其作為偶氮染料礦化的潛在候選材料。XRD和SEM研究表明，成功實現了鏑摻雜和石墨烯與鐵氧體的共存。EDX研究中的C和Dy元素峰共存證實了成功的摻雜和復合。D-CNFO@G納米復合材料表現出優異的光催化活性和可重用性，在五次連續降解循環后仍保持幾乎恒定的染料降解活性。本研究結果表明，添加稀土元素和使用導電基質是開發下一代光催化劑的有前景的方法。https://doi.org/10.1016/j.jre.2023.07.002
轉自《石墨烯研究》公眾號
