迪普·库马尔·博拉（Deep Kumar Bora）| 西亚玛莉·帕塔尔（Shyamalee Patar）| 苏尼塔·拉斯卡尔（Sunita Laskar）| 拉基亚·乔蒂·博尔塔库尔（Lakhya Jyoti Borthakur）
印度阿萨姆邦纳加昂大学（Nagaon University）化学系，纳加昂，邮编782001
摘要
钴铁层状双氢氧化物（CoFe LDH）是一种有前景的光催化剂，但其较大的带隙和有限的电荷分离能力限制了其在可见光下的催化活性。本研究合成了CoFe LDH@碳纳米管（CoFe LDH@CNT）纳米复合材料，以提升其光催化性能。紫外-差分吸收光谱（UV-DRS）显示，该复合材料的吸收边从226.80纳米蓝移至223.58纳米，带隙从2.73电子伏特（eV）显著降低至2.10电子伏特。这种带隙的减小归因于碳纳米管（CNTs）带来的界面电荷转移和导电性的提升。该复合材料对孔雀石绿（Malachite Green，简称MG）染料的光催化降解效果显著，45分钟内可去除超过96%的染料，而纯CoFe LDH在相同时间内仅去除82.42%的染料。其表观反应速率常数从纯CoFe LDH的0.014分钟⁻¹提高至复合材料的0.072分钟⁻¹。碳纳米管增强了载流子的迁移能力，减少了复合体的重组，并促进了活性氧物种•OH和O₂的生成。此外，还研究了pH值、初始染料浓度以及无机盐的存在对降解效率的影响。研究表明，碳纳米管有效调节了CoFe LDH的带结构，显著提高了其光催化效率，为在可见光下降解有机染料提供了一种可扩展的方法。
引言
层状双氢氧化物（也称为水滑石）是一种二维阴离子粘土，其通用化学式为[M²⁺]₁⁻x[M³⁺]ₓ(OH⁻)₂x⁺(An⁻)x/n·mH₂O，其中M²⁺和M³⁺分别代表二价和三价金属阳离子[1][2]。这种材料具有层状结构，金属阳离子之间夹杂着特定的阴离子（公式中的An⁻），同时具备良好的结构稳定性、较大的比表面积、层间阴离子交换能力、丰富的羟基官能团以及电导率[3][4][5]。层状双氢氧化物的离子组成多样性使其结构、光电性质和磁性质具有可调性[6][7]。经过热处理后，层状结构会分解并形成非化学计量的混合金属氧化物，从而增加表面积并提升其氧化还原性能[8]。这些特性使层状双氢氧化物成为吸附、光催化、芬顿反应（Fenton process）、超级电容器等多种应用的多功能材料[9]。其中，CoFe-LDH（Co为M²⁺，Fe为M³⁺）因其双重氧化行为而受到广泛关注，这种行为增强了其氧化还原能力并加快了电子转移速率。此外，钴的存在提高了电导率，铁则增强了钴位点的电子结构，进而增加了表面积和表面活性。钴和铁价格低廉且易于获取，使得CoFe LDH成为能源和环境应用中的经济高效且可持续的材料[10][11][12]。然而，CoFe LDH的性能通常受到其较低电导率、光生载流子快速重组以及层状结构团聚的限制[13]。通过添加碳纳米管（CNTs）、石墨烯、活性炭等支撑材料可以缓解这些问题[14][15]。
全球环境问题之一是水污染。纺织、印刷、制药等行业排放的染料废水是水污染的主要来源之一[16]。由于合成染料具有复杂的芳香结构，它们难以生物降解。在整个染色过程中，全球约有30%的染料产量被浪费，废水中的染料浓度通常在10–50毫克/升（mg/L）之间[17]。未经处理的废水中有10–20%会直接排入自然水体[18]。这些染料对人体和动物具有多种危害，包括毒性、致癌性、致突变性和致敏性[19]。孔雀石绿（MG）是一种常用的纺织染料，同时也用作多种反应的指示剂和生物染色剂。与阴离子染料相比，阳离子染料毒性更强，其着色浓度较低（<1毫克/升[20]）。因此，在废水排放到环境中之前，必须将其从水中去除。
常见的处理方法包括吸附、混凝、絮凝、沉淀、离子交换以及高级氧化技术（如芬顿反应、臭氧分解、声分解、光催化等）。其中，光催化因其简单性、低成本和高效率而得到广泛应用[21]。作为一种高级氧化技术，光催化在光照作用下能够将多种顽固污染物分解为较小的无毒分子，如H₂O、CO₂和其他无机盐[22]。目前已知许多光催化剂在水质净化领域表现出优异性能，例如过渡金属离子[23]、金属氧化物[24]、金属有机框架[25]、金属复合催化剂[26]和碳基材料[27]。近年来，CoFe LDH作为光催化剂的应用越来越受到研究人员的关注。例如，Gong等人通过简单共沉淀法制备了CoFe-LDH，并成功去除了20毫克/升浓度下的RhB染料[28]；Ma等人制备了涂覆有CoFe LDH的活性炭（AC@CoFe-LDH），作为高效催化剂用于降解洛美沙星（Lomefloxacin，简称LMF）[29]；Paramanik等人开发的CoFe-LDH/CoFeCrO₄异质结材料对四环素盐酸盐的降解效率达到92%[30]。
本研究报道了纯CoFe LDH以及碳纳米管支撑的CoFe LDH（CoFe LDH@CNT）的合成及其光催化降解效率。实验表明，与纯纳米颗粒相比，含有碳纳米管的复合材料具有更好的光催化效果。为了优化碳纳米管的含量，分别测试了1%、2%和3%三种重量百分比的复合材料，其中3%含量的复合材料表现出最高的降解效率（超过96%）。这种催化活性的提升归因于碳纳米管带来的载流子迁移能力增强、重组减少以及活性氧物种•OH和O₂的生成增加。此外，还研究了操作参数（如pH值变化）和无机盐存在对催化效果的影响。
材料与方法
三硝酸铁九水合物、六水合硝酸钴和碳酸钠购自Merck Life Science Pvt. Ltd.；孔雀石绿染料和碳纳米管由Research Lab Fine Chem Industries提供。
X射线衍射（XRD）分析
通过XRD分析了制备样品的晶体结构，结果如图2所示。CoFe LDH的特征衍射峰分别出现在11.5、23.39、29.42、31.74、38.08、59.16和60.50°，对应于（003）、（006）、（101）、（220）、（015）、（018）、（110）和（113）晶面[JCPDS No.50–0235][31][32]。在CoFe LDH@CNT的衍射图中，还出现了25.98和34.04处的额外峰，对应于（002）和（012）晶面。
结论
本研究成功合成了含有不同碳纳米管含量（1%、2%和3%）的CoFe LDH@CNT纳米复合材料，并评估了其在可见光照射下对孔雀石绿染料的降解效果。含有3%碳纳米管的复合材料表现出优异的光催化性能，45分钟内可去除超过96%的染料，其表观反应速率常数从纯CoFe LDH的0.014分钟⁻¹提高至CoFe LDH@CNT的0.072分钟⁻¹。此外，作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
迪普·库马尔·博拉（Deep Kumar Bora）： 负责撰写初稿、数据可视化、实验设计和数据分析。
西亚玛莉·帕塔尔（Shyamalee Patar）： 负责软件开发、方法论设计及数据管理。
苏尼塔·拉斯卡尔（Sunita Laskar）： 参与方法论设计、实验实施及数据验证。
拉基亚·乔蒂·博尔塔库尔（Lakhya Jyoti Borthakur）： 负责文章撰写与编辑、结果验证、项目监督及概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
