文献回顾|Desalination | 用于光催化去除复杂染料、盐阻性 ISSG 膜和水力发电的三功能 MFO 纳米粒子

研究背景

水是所有生命形态赖以生存的珍贵自然资源。获取纯净安全的饮用水是维护人类健康和社会福祉的基本需求。然而，约97.5%的水资源以海水和咸水湖形式存在，无法直接利用。为应对全球淡水需求激增，物理、化学和生物处理技术得到广泛研究。其中，光催化去除废水染料和基于界面太阳能蒸汽生成（ISSG）的海水淡化技术因利用太阳能这一可持续能源进行水处理而备受关注，其优势在于降低传统能源依赖并兼具环境友好性。相较于传统方法，这两种经济型技术可显著减少化学废物产生。尤为值得关注的是，染料降解与太阳能脱盐的协同作用不仅可从盐水获取淡水，还可同步处理染料污染废水，这种协同整合提升了水处理效率并降低环境影响，为解决水质与水资源短缺问题提供了经济方案。

在催化领域，高效材料是染料降解与脱盐的核心需求，而光催化剂性能尤为关键。理想光催化剂应具备高光活性、高效载流子分离能力及环境稳定性。尽管金属氧化物（如TiO2、Fe2O3、Fe3O4、Mn2O3、MnO2、Mn3O4）已被广泛应用于染料降解和ISSG，但其光吸收范围有限、电子-空穴复合率高及性能调控困难等问题仍需解决。

ABO3型钙钛矿材料因独特的物理化学特性成为突破这些局限的新选择。其结构中氧离子围绕过渡金属形成的立方八面体构型赋予其丰富理化性质：强光热/光催化响应、可调晶体结构、丰富氧空位及多价态带来的光学性能提升。通过形貌工程、异质结构建及核壳设计等策略，多种ABO3钙钛矿（包括原始态与复合材料）已在各类阴阳离子染料降解中展现潜力。相较于钛/钽/锡/钴基钙钛矿，铁基钙钛矿因可见光响应带隙（1.95–2.7 eV）、相稳定性及化学计量优势备受关注，其中Fe4+/Fe3+混合价态通过提升离子迁移率和调控电荷传输显著增强催化性能。

近期研究发现，多孔LaFeO3（LFO）核桃结构及镍掺杂LFO纳米微球在氙灯下对罗丹明B、结晶紫、亚甲基蓝及结晶紫-刚果红二元染料体系展现出优异降解性能。SrFeO3、CeFeO3、BiFeO3等材料在有机染料处理中也取得显著进展。通过将六方氮化硼（hBN）及氮化硼量子点（BNQD）与MnFeO3（MFO）构建异质结构，可高效去除废水中的布洛芬、靛蓝胭脂红、橙黄II及四环素等污染物。在ISSG领域，SrCoO3（SCO）、LaNiO3（LNO）、LaCoO3（LCO）及其掺杂/复合材料（如锶掺杂LCO、锶铁共掺杂LCO、LCO-MXene复合体）占据主导。值得关注的是，锰铁氧体（MFO）凭借其优异理化性质成为ISSG领域的新星，其锰铁多价态协同效应不仅增强电荷分离能力，还拓宽光吸收范围，加之锰铁元素成本低廉、储量丰富，使其成为镧基钙钛矿的理想替代材料。

尽管各类铁基ABO3材料已在光催化和ISSG领域分别取得进展，但开发兼具光催化降解、太阳能脱盐及水伏发电三功能的一体化材料仍是重大挑战。本研究首次系统探索共沉淀法制备的MFO纳米颗粒（NPs）的三功能应用：在300W氙灯反应器中，MFO对结晶紫、刚果红等六种阴阳离子染料展现出优异降解性能，活性自由基介导的降解率分别达98.99%和89.88%；涂覆纤维素纸的MFO蒸发器在模拟太阳光及实际光照条件下，可处理3.5-10 wt%不同盐浓度的盐水；基于双电层（EDL）效应的水伏发电实验显示，3.5 wt%盐水中10个串联器件在日光下产生0.7 V开路电压。该研究为开发可持续、高能效的集成化水处理技术提供了新思路，在解决淡水短缺、环境污染及可再生能源需求方面具有重要应用前景。

相关成果以“Tri-functional MFO nanoparticles for photocatalytic complex dye removal, salt-resistive ISSG membrane, and hydrovoltaic electricity generation”为题发表在《Desalination》上。（IF=8.4）

研究数据

图 1.用于阴离子和阳离子染料的三功能光催化染料去除、盐水界面太阳能蒸汽产生 （ISSG） 和能源产生的 MFO NPs 的示意图。

图 2.使用共沉淀法合成 MFO NPs 所遵循的方案示意图。

图 3.（a） XRD 图谱，（b） FESEM 图像，以及 （c） MFO NP 的 EDS 光谱。（b） 的插图表示高倍率 FESEM 图像，（c） 的插图显示了 MFO NPs 的 Fe、Mn 和 O 元素的映射。

图 4.（a） 使用 UV-Vis DRS 的反射光谱和 （b） MFO NP 的拉曼光谱。

图 5.MFO NP 中存在的 （a） Mn、（b） Fe 和 （c） O 核心能级的高分辨率 XPS 光谱。

图 6.（一、四）降解效率直方图、（b、e） 反应动力学曲线和 （c、f） 伪一级动力学图分别从染料的吸收光谱评估，用于催化剂剂量优化（图 S2）和使用 MFO NP 的不同染料（图 S3）。

图 7.（a） 不同清除剂对染料去除效果的直方图表示，以及 （b） 使用 MFO NPs 对 10 ppm CV 染料光催化降解的循环稳定性性能。

图 8.（a） 表面温度的变化，以及 （b） 使用 MFO 蒸发器的红外相机在空气/水界面处捕获的实时热图像。

图 9.（a） 随时间变化的质量损失，（b） 去离子水和盐水的蒸发速率，以及 （c） 盐水的 TDS 测量;（d） ISSG 五个循环的循环稳定性，（e） 强度依赖性质量损失，以及 （f） 在 MFO 蒸发器上进行的阳光直射下去离子水的蒸发速率。

图 10.（a） 使用 MFO 蒸发器发电的示意图模型。（b） V 的时间响应OC （英超频）对于在 SCM 和 RCM 中配置的设备。（c） 当水滴落在 MFO 蒸发器上时，会产生电压。（d） 感应电势测量机制 V 的示意图OC （英超频）对于不同的 （e） 盐浓度和 （f） 表面温度。

图 11.（a） V 的时间响应超频在室温下，以及 （b） 对于在 SCM 和 RCM 中配置的设备，使用串联的 10 个 MFO 蒸发器阵列;（b） 的插图表示每个 MFO 蒸发器在其干端的表面温度，（c、d） 实时图像，包括用于具有可逆器件极性的电动测量的 MFO 蒸发器阵列。

图 12.（a） 由蒸发器组成的设备MFO@cellulose示意图，（b） 在 1 个阳光照射下使用 3.5 wt% 水的发电性能，以及 （c） 被调查设备的实时照片。

https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119030