Fe3O4/AC/Ag2S磁性纳米复合材料对亚甲蓝和大肠杆菌的快速高效降解作用

法尔扎德·法拉赫曼扎德（Farzad Farahmandzadeh）| 埃尔哈姆·莫拉霍塞尼（Elham Molahosseini）| 萨米拉·萨莱希（Samira Salehi）| 梅赫迪·莫拉埃（Mehdi Molaei）| 哈基梅·扎雷（Hakimeh Zare）

伊朗拉夫桑詹市瓦利-埃-阿斯尔大学（Vali-e-Asr University of Rafsanjan）理学院物理系

摘要

随着人口增长、工业化和气候变化的加剧，许多地区获取清洁安全的水资源已成为一个重大挑战。因此，利用纳米技术处理受污染物染料和大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）污染的水引起了科学界的广泛关注。在本研究中，通过水热法制备了Fe₃O₄/活性炭（AC）/Ag₂S纳米复合材料，并将其作为纳米催化剂用于去除水中的亚甲蓝染料和大肠杆菌。实验结果表明，Fe₃O₄/AC/Ag₂S纳米复合材料表现出优异的催化活性，能够在3分钟内完全去除水中的亚甲蓝染料。此外，该纳米复合材料还具有良好的抗菌性能，可用于消毒受大肠杆菌污染的水和废水。通过BET、FESEM、FT-IR、TEM、VSM、XRD、拉曼光谱（Raman）、能谱分析（EDS）和Zeta电位分析对制备的纳米复合材料进行了表征。XRD、EDS、TEM、FESEM、拉曼光谱和Zeta电位分析的结果证实了Fe₃O₄/AC/Ag₂S纳米复合材料的成功合成。VSM测试显示该材料具有超顺磁性，磁化率（Ms）为13.27 emu/g。BET分析表明其比表面积约为168.8 m²/g。通过循环伏安法（CV）、电位阶跃法（EIS）和电化学扫描法（ECSA）研究了Fe₃O₄/AC/Ag₂S纳米材料的电化学性质，结果表明添加Ag₂S后系统的氧化还原反应得到增强，电荷转移阻力降低，界面电子交换动力学显著加快。基于实验结果，Fe₃O₄/AC/Ag₂S纳米复合材料在同时去除水中的染料和大肠杆菌方面具有巨大潜力。这项研究为多功能纳米复合材料的发展提供了新的思路。

引言

近年来，水资源短缺已成为全球面临的严峻挑战。人口增长、工业化和气候变化导致许多地区难以获得清洁安全的水[1][2]。水资源短缺不仅威胁公共卫生，还影响农业、生态系统和经济发展。水污染的一个主要原因是有机染料的污染[3]。尤其是纺织和染料工业产生的废水含有高浓度的有毒、不可生物降解且常具致癌性的有机染料[4]。此外，水源中存在大肠杆菌等病原微生物会带来严重的健康风险[5][6]。因此，开发简单、快速且经济高效的方法来净化受染料和大肠杆菌污染的水和废水具有重要意义。这些方法不仅有助于保护人类健康，还能通过减少有害物质向自然生态系统的排放来促进环境可持续性[7][8][9]。

近年来，纳米科学和技术已成为解决水污染问题的有力工具，尤其是在开发先进的水处理纳米催化剂方面[10][11]。其中，基于碳的材料和半导体纳米颗粒因具有高反应性、大比表面积以及独特的物理和化学性质而展现出巨大潜力[11][12]。活性炭是一种广泛使用的碳基材料，具有高度多孔性，具有优异的吸附能力[13]，能有效去除水中的多种污染物，包括染料、有机化合物和重金属[14][15]。将其与其他纳米材料结合或功能化后，活性炭的性能可显著提升，从而能够降解更难降解的有毒物质[16]。硫化银（Ag₂S）等半导体纳米颗粒也因其催化活性而受到关注[17][18]。在紫外光照射下，这些纳米颗粒可产生活性氧（ROS），分解有机污染物、降解染料并灭活有害微生物（如大肠杆菌）[19][20][21]。此外，Ag₂S纳米颗粒还具有抗菌性能，可破坏微生物细胞膜并抑制其生长[22][23]。活性炭与半导体纳米颗粒（如Ag₂S）的结合产生了协同效应，使吸附和光催化降解过程更高效地去除更广泛的污染物[24][25]。氧化铁纳米颗粒（尤其是磁铁矿Fe₃O₄）因超顺磁性质而在水处理中得到广泛应用。使用基于Fe₃O₄的纳米催化剂的一个主要优点是可通过磁力轻松分离处理后的催化剂[26]，简化了分离过程，无需复杂的过滤或离心步骤[11]。此外，Fe₃O₄还可与其他活性材料（如光催化剂或吸附剂）结合，制备出兼具多种功能的多功能纳米复合材料，提高污染物去除效率的同时保持可回收性和重复使用性[4][27]。

章节摘录

材料

亚硫酸钠（Na₂SO₃）、硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃）、六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、硫代乙醇酸（TGA）、25%氨水溶液、硝酸银（AgNO₃）和37%盐酸（HCl）均购自默克化学公司（Merck Chemical Company）。

Ag₂S纳米颗粒的制备

硫化银（Ag₂S）纳米颗粒采用微波法制备[28]。首先将1克硝酸银（AgNO₃）溶解在50毫升去离子水中，然后加入50微升硫代乙醇酸（TGA），并用氨水调节pH至9。另取0.64克硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃）溶解在20毫升水中...

XRD图谱

图1显示了Fe₃O₄/AC/Ag₂S纳米复合材料的XRD图谱。图中可见多个峰，分别位于26°（−101）、29°（111）、31.7°（−112）、33.9°（120）、34.6°（−121）、36.9°（121）、37.9°（−103）、40.8°（031）、45.6°（−131）、46.2°（−123）和53.5°（22−2），这些峰对应于Ag₂S纳米材料的单斜晶系结构（JCPDS编号14–0072）[28]。此外，在XRD图谱中还观察到其他峰，分别位于30.2°（220）、35.7°（331）、43.4°（400）、57.4°（511）和63°...

结论

本研究通过水热法制备了Fe₃O₄/AC/Ag₂S纳米复合材料，并对其进行了多种分析。XRD、拉曼光谱（Raman）、能谱分析（EDS）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）的结果证实了Fe₃O₄/AC/Ag₂S纳米材料的成功制备。BET分析表明其比表面积约为168.8 m²/g。Zeta电位分析结果显示该材料的表面带电性...

作者贡献声明

法尔扎德·法拉赫曼扎德（Farzad Farahmandzadeh）：负责撰写、审稿和编辑工作以及方法论设计。埃尔哈姆·莫拉霍塞尼（Elham Molahosseini）：负责初稿撰写和方法论设计。萨米拉·萨莱希（Samira Salehi）：负责软件开发和验证工作。梅赫迪·莫拉埃（Mehdi Molaei）：负责项目监督和资金申请。哈基梅·扎雷（Hakimeh Zare）：负责方法论设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。