CuFe₂O₄/N-掺杂氧化石墨烯纳米复合材料的可持续合成及其类似Fenton催化活性的增强，用于水污染物去除

时间：2026年2月7日

来源：Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C

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CuFe2O4和CuFe2O4/N-GO纳米催化剂在H2O2驱动的Fenton-like反应中高效降解甲基蓝，pH依赖性显著，碱性条件（pH9）下降解效率达99.97%，优于纯CuFe2O4的72%。关键参数包括催化剂用量0.25g、H2O2体积1.5mL，反应时间75分钟内完成。该体系环境友好，适用于可持续水处理。

约旦安曼Al-Ahliyya大学Hourani应用科学研究中心工程学院，机器人与人工智能工程系

摘要

本研究探讨了CuFe₂O₄和CuFe₂O₄/N-GO纳米催化剂在过氧化氢作为氧化剂的情况下，通过类Fenton反应去除水溶液中亚甲蓝（MB）的催化性能。系统地考察了关键操作参数（包括初始pH值、催化剂用量、H₂O₂浓度和反应时间）对染料降解效率的影响，以确定最佳条件。CuFe₂O₄/N-GO催化剂表现出明显的pH依赖性活性，在pH 9时达到约99.97%的最大效率，而纯CuFe₂O₄的效率为72%。中性至微碱性条件（pH 7–9）有利于羟基自由基的生成，使得MB在75分钟内迅速降解。催化剂装载量和氧化剂用量也起着关键作用，最佳催化剂用量为0.25克，H₂O₂体积为1.5毫升；过量使用会导致自由基被消耗，从而降低效率。值得注意的是，与传统的酸性系统相比，该催化剂在碱性条件下表现出更强的类Fenton活性，在温和条件下几乎完全去除污染物，同时所需试剂量极少，这突显了其在可持续水处理应用中的优势。本研究还旨在开发一种低毒性的合成方法，表征纳米复合材料的结构和磁性质，并评估其稳定性和可重复使用性。

引言

安全淡水的获取日益受到来自药品、个人护理产品、染料、农药和工业副产品的各种有机污染物的威胁。这些物质通常以微量存在，可能具有毒性、干扰内分泌系统或致癌性，并且能够逃避传统的处理方法（如混凝、生物降解和标准过滤）。因此，迫切需要先进的去除策略来处理化学稳定或低浓度的有机物[1]。

纳米材料和纳米复合材料因其高比表面积、可调的表面化学性质以及适当的工程设计后的催化活性而成为先进水修复的有希望的解决方案。基于碳的载体（特别是氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）与金属或金属氧化物纳米粒子结合时通常会产生协同效应：碳基质提供了大的可访问表面积和π–π/氢键吸附位点，而金属氧化物则为高级氧化过程（如类Fenton反应、过硫酸盐或过氧单硫酸盐活化）提供催化中心[2]。类Fenton反应是指过渡金属离子激活氧化剂（通常是过氧化氢或过硫酸盐）生成高活性自由基的过程，而活性氧物种是指在高级氧化过程和污染物降解中起核心作用的短寿命、高活性的含氧物种（如羟基自由基和超氧阴离子）[3, 4]。

在金属氧化物中，基于铁的材料因其低成本、环境友好性和在Fenton及类Fenton反应中的公认活性而被广泛使用，这些反应可以生成羟基和其他活性氧物种（ROS），有效矿化有机物。铜及其含铜相（CuO、Cu₂O、铜铁氧体）具有互补的优势：它们可以作为高效的氧化还原介质，激活过氧化物或过氧单硫酸盐，并在温和条件下改善电荷分离。因此，将Fe和Cu结合在混合氧化物或铁氧体中通常可以提高有机污染物降解的整体催化效率[5]。

氧化石墨烯及其还原或改性的衍生物作为纳米粒子载体非常有用。GO含有丰富的氧化官能团（环氧基、羟基、羧基），有利于纳米粒子的成核和强界面结合，其二维结构通过π–π相互作用和静电吸引力促进污染物吸附。然而，原始的GO/rGO可能受到电荷转移瓶颈和相对较少的催化活性位点的限制。异原子掺杂（特别是氮掺杂）可以改变石墨烯框架的电子结构，引入新的缺陷/活性位点（吡啶基、吡咯基、石墨氮），增加电子密度和导电性，显著提高材料吸附有机物和激活氧化剂（如过硫酸盐或过氧单硫酸盐）的能力[6]。

绿色或植物介导的合成方法因使用无害试剂、降低能耗，并且通常可以通过生物分子（多酚、糖、蛋白质）很好地控制粒子大小和稳定性而受到关注。使用植物提取物（如枇杷叶提取物、茶或其他植物来源）合成的绿色Fe–Cu氧化物纳米复合材料在抗生素和染料的吸附和催化去除方面表现出良好的性能，将环境友好的合成与功能性结合[7]。将这些绿色方法与基于石墨烯的载体结合，为更可持续、可扩展的修复材料提供了途径。基于这些挑战，本研究采用环境影响较小的方法（E因子为2.5）开发了CuFe₂O₄/N-GO纳米复合材料[8, 9]。

当Fe–Cu氧化物负载在氮掺杂的氧化石墨烯（N-GO）上时，可以同时发挥多种协同机制：（i）增强有机物在石墨烯基质上的吸附，将污染物集中在催化位点附近；（ii）N掺杂和导电的石墨烯网络促进电荷转移，减少电子/空穴对或瞬态自由基的复合；（iii）Fe和Cu中心协同激活氧化剂（H₂O₂、过硫酸盐、PMS），生成多种ROS（·OH、SO₄·^-、O₂），拓宽降解途径；（iv）如果经过工程设计，磁性或易于分离的相可以实现材料的简便回收和再利用[8]。

尽管实验室结果令人鼓舞，但在实际应用中仍存在一些挑战：确保长期稳定性和低金属浸出、优化大规模生产的合成工艺和可重复性、理解不同污染物类别的主导反应物种和降解途径，以及量化纳米材料本身的生命周期环境影响。解决这些问题需要结合全面的物理化学表征和在真实水环境下的再利用/浸出评估。

我们假设GO中的N掺杂将增强电子转移，从而提高ROS的生成和污染物去除效率，优于未掺杂的系统。

合成稳定的Fe–Cu氧化物纳米粒子，并将其控制分散地负载在N-GO上。
全面表征材料的结构、表面和电子性质，将材料特性与性能联系起来。
评估代表性有机污染物在各种pH值、浓度和氧化剂条件下的吸附和催化降解情况。
通过回收测试评估纳米复合材料的稳定性、可重复使用性和环境影响。

材料

石墨粉、硫酸（H₂SO₄）、硝酸钠（NaNO₃）、高锰酸钾（KMnO₄、过氧化氢（H₂O₂，30 wt%）、尿素、氢氧化钾（KOH）、五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）、七水合硫酸铁（FeSO₄·7H₂O）、氨水（NH₃·H₂O）、乙醇、亚甲蓝（MB）染料以及其他所有试剂均为分析级，无需进一步纯化。所有实验均使用去离子水（DI）。

氧化石墨烯（GO）纳米片的合成

氧化石墨烯的制备遵循改进的...

表征

数据分析使用Excel进行。使用Shapiro-Wilk检验检查正态性。比较结果时使用学生t检验。关键指标以平均值±标准差（SD）报告，并给出95%置信区间。计算效率差异的效应量（Cohen's d）。

样品通过XRD（Cu Kα辐射，10–80° 2θ，0.02°步长；使用Origin软件中的Scherrer方程计算晶粒尺寸）、TGA（10 °C min^-1在N₂气氛下）和SEM（15 kV，10,000–50,000×）进行表征。

pH对亚甲蓝脱色效率的影响

选择亚甲蓝（MB）作为常用的阳离子染料和模型有机污染物，以评估合成材料在水溶液中的催化性能。 为了确定从水溶液中去除亚甲蓝的最佳条件，研究了初始溶液pH值、催化剂用量和H₂O₂体积对CuFe₂O₄和CuFe₂O₄/N-GO催化剂性能的影响（表3）。在此实验中，亚甲蓝的浓度为50 mg L^-1...

催化剂的可重复使用性和稳定性

在优化条件下，连续八次降解循环中检验了CuFe₂O₄/N-GO纳米催化剂的可重复使用性。如图16所示，催化剂在整个测试过程中保持了非常高的去除效率，从第一次循环的约99.8%逐渐下降到第八次循环后的约92.3%。这意味着超过90%的原始催化活性得到了保留，表明该材料具有良好的耐用性和可重复使用性[38]。

结论

本研究成功开发了CuFe₂O₄和CuFe₂O₄/N-GO纳米催化剂，并系统地评估了它们在H₂O₂作用下类Fenton降解亚甲蓝的性能。本研究的一个核心和显著结果是，在中性至碱性条件（pH 7–9）下表现出高效的催化活性，CuFe₂O₄/N-GO复合材料在pH 9时实现了几乎完全的脱色（99.97%）。这种行为与传统的Fenton系统形成对比，后者需要更强的...

局限性和未来工作

虽然本研究展示了CuFe₂O₄/N-GO在MB降解方面的增强类Fenton性能，但局限性包括仅关注理想化的水溶液，可能忽略了实际废水中的基质效应（例如盐类或有机物等干扰物）。尽管提供了可重复使用性数据（8次循环，>90%的保留率），但缺乏在多种条件下的长期测试（>10次循环）。未来工作可以包括研究催化剂在高碱性条件下的结构稳定性。

CRediT作者贡献声明

Renu Sharma：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、项目管理、方法论、研究、数据管理、概念化。 Murodjon Yaxshimuratov：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、研究、资金获取、正式分析、概念化。 Al‐Ghasem M. Sina：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、正式分析、数据