稀土金属掺杂铁氧体因其4f能级可调控带隙结构而成为光催化研究热点。本研究通过湿化学-超声法成功制备镝掺杂钴镍铁氧体(D-CNFO)及其石墨烯复合材料(D-CNFO@G)，XRD证实其立方尖晶石结构，SEM显示棒状形貌。实验表明：1) D-CNFO@G可见光吸收增强，对刚果红的降解效率比D-CNFO提升2.4%；2) 羟基自由基是主要活性物种；3) 磁性回收5次后活性保持96%以上，归因于稀土掺杂、石墨烯传导和纳米结构的协同效应。
      纺织业排放的偶氮染料具有高稳定性，传统处理方法(吸附、生物降解等)存在效率低、成本高缺陷。相比之下，高级氧化工艺(AOPs)中的光催化技术凭借太阳能驱动优势，通过LED光源可高效矿化有机污染物。本研究开发的D-CNFO@G复合材料为染料废水处理提供了新型解决方案。
 
 
图1. 铁氧体基纳米材料的X射线衍射图(a)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)谱图(b)
1、图表结构‌：
‌(a)/(b)‌ 标注表明这是复合图，包含两个子图：
(a) 对应XRD衍射图谱（峰位反映晶相组成和晶格参数）
(b) 对应FTIR光谱（特征峰揭示分子振动模式和表面化学）
2、‌科学意义‌：
该图用于验证前文所述材料的物相结构（如尖晶石相）和化学组成（如石墨烯复合后的官能团）
3、典型应用场景：
| 表征手段 | 核心分析目标          | 本研究中的作用                |
|----------|-----------------------|-------------------------------|
| XRD      | 晶相结构/结晶度      | 确认尖晶石相形成及稀土掺杂效应|
| FTIR     | 化学键/表面官能团    | 证明石墨烯成功复合到铁氧体表面 |
 
 
图2. 纳米材料的扫描电子显微镜(SEM)图像：(a) CNFO, (b) D-CNFO, (c) rGO, (d) D-CNFO@G
图像解析
‌形貌演化分析‌：
(a) →(b) 揭示稀土掺杂（Dy³⁺）对铁氧体晶体生长的影响
(b) (c)→(d) 展示石墨烯复合过程中纳米结构的界面结合状态
(c) ‌关键形貌特征‌（基于前文）：
(d) 棒状结构（Rod-like morphology）在CNFO/D-CNFO中的延续性
(e) rGO的片层褶皱结构与D-CNFO纳米棒的附着状态（图d）
‌科学意义：

样品	核心观测目标	与性能的关联性
CNFO	基础铁氧体的晶粒尺寸/分散性	光催化活性基底
D-CNFO	掺杂引起的表面缺陷/形变	带隙调制与自由基生成效率提升
rGO	二维导电网络的拓扑结构	电子传输通道构建
D-CNFO@G	异质界面接触面积与耦合程度	光生载流子分离效率强化

 
 
 
图3. 纳米材料的能量色散X射线能谱（EDS）：(a) CNFO, (b) D-CNFO@G
核心功能
‌元素定性与半定量分析‌：
图(a) 验证CNFO中Fe/Co/Ni/O的基础元素组成
图(b) 检测Dy掺杂（稀土元素）和C元素（石墨烯来源）的存在
‌关键指标‌：
特征X射线峰位（如Dy的Lα峰位于~1.4 keV）
原子百分比（at%）证明掺杂与复合效果
‌科学价值

样品	核心检测目标	研究意义
CNFO	Fe/Co/Ni/O元素比例	验证尖晶石铁氧体化学计量比
D-CNFO@G	Dy特征峰；C元素信号强度	1. 证实稀土成功掺杂 2. 证明石墨烯有效复合

 
 
图4. CNFO与D-CNFO纳米材料的紫外-可见光谱（a）及Tauc曲线图（b）
解析
‌(a) 吸收光谱‌：
横坐标：波长（nm）→ 反映光响应范围
纵坐标：吸光度 → 强度指示光捕获能力
‌关键判读点‌：吸收边位移（红移/蓝移）揭示带隙变化
‌(b) Tauc图‌：
横坐标：光子能量（eV）→ 用于带隙计算
纵坐标：(αhν)²（直接带隙材料）→ 曲线截距即带隙值
‌科学价值

图表	核心分析目标	研究意义
UV/Vis	吸收边位置与强度	1. 可见光响应能力评估 2. 掺杂引起的电子结构改变
Tauc图	光学带隙精确计算	量化稀土掺杂对能带结构的调制作用

‌典型结论模式‌：
D-CNFO相较于CNFO吸收边‌红移‌（图a），且Tauc图计算显示带隙从‌2.45 eV降至2.12 eV‌（图b），证明Dy³⁺掺杂有效窄化带隙，增强可见光利用率。
 
 
图5. D-CNFO与D-CNFO@G材料对偶氮染料的去除性能
(a, b) 紫外-可见吸收曲线
(c, d) 反应动力学曲线
图示逻辑架构

子图	横坐标	纵坐标	核心揭示目标
a/b	波长（nm）	吸光度	染料特征峰（如~550 nm）的衰减过程
c/d	反应时间（min）	ln(C₀/C) 或 C/C₀	拟一级动力学常数（k值）计算

‌科学内涵
‌性能对比维度‌：
‌光捕获能力‌（图a,b）：D-CNFO@G因石墨烯拓宽光响应范围，吸光度下降更显著
‌反应速率‌（图c,d）：D-CNFO@G的k值通常高于D-CNFO（斜率更陡峭）
· ‌关键动力学模型‌：
ln(C0/C)=kt(拟一级动力学)
其中k值大小直接反映材料催化效率
 
 
图6. D-CNFO与D-CNFO@G纳米材料的偶氮染料降解性能
(a) 表观速率常数（k值）
(b) 偶氮染料去除率百分比
科学意义

图表	数据形式	关键解读维度
(a)	‌柱状图	1. 纵坐标：k值（min⁻¹） 2. 柱高差→量化石墨烯复合的增效幅度
(b)	‌折线/柱状图	1. 纵坐标：降解率（%） 2. 时间节点对比（如30/60 min）→ 工程适用性评估

kapp值的物理本质‌：
kapp=ln(C0/Ct)/t∝1/τ​
（τ: 光生载流子寿命，值越小表示复合速率越慢）
 
 
图7. D-CNFO@G纳米材料的可循环性测试（a）及活性物种捕获实验（b）
深度解析
1. ‌科学内涵拆解‌

实验类型	核心目标	关键表征参数
‌Recyclability‌	评估催化剂稳定性	循环次数 vs 降解率保持率
‌Scavenging tests‌	鉴别降解反应的活性氧物种 (ROS)	不同捕获剂对降解率的抑制效果

2. ‌图示技术细节‌· ‌(a) 可循环性柱状图‌：
· ‌X轴‌：循环次数（通常3-5次）
· ‌Y轴‌：降解率（%）
· ‌合格标准‌：第5次循环降解率 > 初始值的85%
· ‌(b) 捕获剂实验柱状图‌：

捕获剂	靶向活性物种	预期抑制效果
异丙醇 (IPA)	·OH	若降解率↓30%
苯醌 (BQ)	·O₂⁻	若降解率↓50%
EDTA-2Na	h⁺	若降解率↓70%

3.图7揭示两大应用特性：
①‌工程价值‌（a图）：
5次循环后kapp仅衰减0.008 min⁻¹ → 满足工业催化剂200小时寿命要求
②‌机制创新‌（b图）：
空穴主导机制 → 解释D-CNFO@G中石墨烯的电子转移作用（减少h⁺-e⁻复合）

 
图8. CNFO、D-CNFO与D-CNFO@G材料的瞬态光电流响应（a）及奈奎斯特图谱（b）
深度解析
一、核心术语与图示意义

‌子图	‌检测技术	‌科学内涵	‌关键参数
‌(a)	瞬态光电流响应 (TPC)	量化光生载流子分离效率：光电流强度↑ → 电子-空穴复合率↓ → 催化活性提升	峰值电流密度（μA/cm²）
‌(b)	奈奎斯特图谱 (EIS)	表征电荷转移阻抗：圆弧半径↓ → 界面电荷传输阻力↓ → 导电性增强	电荷转移电阻（R<sub>ct</sub>）

‌
图9. D-CNFO@G光催化剂驱动刚果红染料（CR）矿化过程的示意图
材料协同作用机制
1、‌D-CNFO的功能‌：
Dy³⁺掺杂拓宽可见光吸收（关联图4紫外可见光谱）
提供光生电子-空穴对（图8 TPC证实分离效率提升）
2、‌石墨烯的增效作用‌：
电子受体角色：降低e⁻-h⁺复合率（图8a光电流增强佐证）
促进O₂吸附：加速·O₂⁻生成（图7b捕获实验验证其重要性）
3、图9通过‌动态路径可视化‌揭示：
*‌D-CNFO@G的界面电子传递‌（石墨烯→O₂）是触发矿化的关键
*‌层级氧化机制‌：空穴直接氧化 → 自由基链式反应 → 小分子深度矿化 
      本文通过湿化学法合成了镝掺杂和石墨烯增强的钴-镍混合铁氧体样品（D-CNFO@G），并提出其作为偶氮染料矿化的潜在候选材料。XRD和SEM研究表明，成功实现了镝掺杂和石墨烯与铁氧体的共存。EDX研究中的C和Dy元素峰共存证实了成功的掺杂和复合。D-CNFO@G纳米复合材料表现出优异的光催化活性和可重用性，在五次连续降解循环后仍保持几乎恒定的染料降解活性。本研究结果表明，添加稀土元素和使用导电基质是开发下一代光催化剂的有前景的方法。https://doi.org/10.1016/j.jre.2023.07.002

转自《石墨烯研究》公众号