研究人员创造纳米结构以高效和可持续地降解污染物

对可持续和环境友好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。光催化剂是在暴露于光下时引发化学反应的材料

尽管取得了进展，但常用的光催化剂的光催化活性降低，在可见光谱范围内的操作范围较窄。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

铁氧体铋（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中的光，将电子从价带激发到导带，留下空位。激发的电子和空穴都可能引发化学反应，导致水溶液中污染物的降解

此外，铁磁特性使BiFeO3易于从溶液中回收。然而，与常见的光催化剂类似，BiFeO3也存在电子快速复合的问题；空穴对，显著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 Fu Mark Chang领导的一个研究小组开发了新型金（Au）纳米颗粒修饰的BiFeO3纳米晶体。他们的研究于4月5日在线发表在《ACS应用纳米材料》杂志上。

张博士解释道，“由于Au纳米颗粒独特的局域表面等离子体共振，将Au纳米结构掺入BiFeO3中可以为光降解反应引入更多的活性位点，并且BiFeO3的激发电子转移到金畴会抑制电子-空穴对的复合。新开发的Au修饰的BiFeO3纳米晶体利用了这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，用不同量的Au装饰BiFeO3。该团队优化了Au-BiFeO3纳米晶体的光催化活性，通过评估其降解亚甲基蓝（MB）（一种常见的牛仔布染料）的功效。MB在水中高度可溶，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，具有1.0重量%Au的样品表现出最佳的活性，在500瓦氙灯下120分钟内实现了令人印象深刻的98%的降解效率。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的磁性能的影响可以忽略不计，表明其具有良好的可回收性

研究人员还研究了Au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的引入促进了激发电子从导带转移到Au畴，从而促进了空穴在BiFeO3的积累，Au具有比BiFeO3导带更低的负费米能级。这增强了BiFeO3的光催化活性，使其更容易在水溶液中诱导羟基自由基的产生。这些羟基自由基具有高度活性，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