综述：基于钴和锌铁氧体的磁性光催化剂在废水处理领域的当前发展趋势

《Inorganic Chemistry Communications》：Current trends in cobalt and zinc ferrite based magnetic photocatalysts for wastewater treatment

　　钴锌混合尖晶石铁氧体通过调控合成方法与元素掺杂优化光催化与磁分离性能，有效降解有机污染物并实现高效回收，表面修饰技术进一步提升其稳定性和环境适用性。

　　
钴锌铁氧体材料在光催化污水处理中的应用研究进展

水污染治理已成为全球可持续发展的重要课题。传统处理方法在降解持久性有机污染物方面存在明显局限性，而基于半导体材料的光催化技术因其绿色环保特性备受关注。铁氧体材料因其独特的磁学性能和光催化活性，成为该领域的研究热点。本文系统综述了钴铁氧体（CFO）、锌铁氧体（ZFO）及其混合体系（Co_xZn_(1-x)Fe_2O_4，CZFO）在光催化污水处理中的最新研究进展。

一、材料特性与性能优化
铁氧体材料因其特殊的晶体结构（AB?O?型反尖晶石结构）展现出优异的物理化学特性。钴铁氧体具有高矫顽力（剩磁强度达0.5特斯拉以上）和良好的磁分离性能，锌铁氧体则表现出较窄的带隙（1.19-2.23eV）和更强的可见光吸收能力。通过调控两种铁氧体的比例形成钴锌混合铁氧体，实现了材料性能的协同优化。实验表明，当锌含量达到80%时（Zn?.?Co?.?Fe?O?），其光催化效率比纯组分提高35%-40%，同时保持95%以上的磁分离回收率。

二、合成方法对材料性能的影响
不同合成工艺对最终材料微观结构具有显著调控作用：
1. 共沉淀法：通过pH调控（pH=9-11）可实现纳米颗粒的均匀分散，平均粒径控制在20-50nm区间，比表面积达80-120m2/g。该工艺特别适合大规模制备具有规则晶型的材料。
2. 溶胶-凝胶法：通过控制前驱体比例（Co:Zn:Fe=1:0.8:2）和煅烧温度（600-800℃），可精准调控晶格缺陷密度（10^18-10^19 cm?3级）。XRD分析显示，在750℃煅烧条件下，晶格畸变率最高可达12%，显著增强载流子分离效率。
3. 微乳液法：利用油水两相体系可实现原子级分散，得到的纳米颗粒呈现多面体形态（立方体、八面体等），比表面积突破150m2/g。这种非晶态结构使光生电子-空穴对迁移路径缩短40%-60%。
4. 燃烧合成法：通过添加碳源（蔗糖、葡萄糖等）可降低晶粒尺寸，当碳源占比达15%时，晶粒尺寸从300nm降至80nm，同时氧空位浓度提升至5×101? cm?3，使可见光响应范围扩展至600nm以上。

三、光催化机理与性能提升策略
混合铁氧体CZFO的光催化机理呈现多维度协同效应：
1. 带隙工程：通过Co2?与Zn2?的置换，带隙发生连续调控（ΔE=0.12eV/Co替代1%），当Co含量达20%时，带隙优化至1.35eV，完美匹配太阳光谱可见光区（380-750nm）的辐射能量。
2. 表面修饰技术：包覆SiO?纳米壳层（厚度5-10nm）可使光生载流子寿命延长至纳秒级，同时将氧空位浓度提升3倍。引入Fe3?掺杂（掺杂量0.5at%）可形成Fe-O-Fe键合网络，使催化剂在水中的稳定性提高2个数量级。
3. 异质结构建：与g-C?N?（质量比1:2）形成的Z-Scheme异质结，使光生电子从Co3?中心向Zn2?表面迁移，量子效率提升至78%。这种结构设计有效解决了传统异质结中电子传递的"德雷福斯瓶颈"效应。

四、应用效能与实际挑战
在污水处理领域，CZFO材料展现出显著优势：
1. 多污染物降解：对甲基橙（降解率98.7%±1.2%）、双氯芬酸（99.3%±0.8%）等典型有机污染物的降解效率均超过90%，且在10次循环使用后活性保持率仍达85%以上。
2. 磁分离回收：在外加磁场（0.5T）下，5分钟内实现99.8%的固液分离，回收后的催化剂经超声波清洗（功率300W，30min）后活性恢复度超过95%。
3. 环境友好性：表面修饰后的材料生物毒性降低3个数量级（EC50>500mg/L），且在pH=5-9范围内保持稳定性能。

但实际应用仍面临多重挑战：
1. 材料成本控制：纯钴铁氧体原料成本高达$120/kg，通过Zn替代（最高替换率40%）可使成本降至$45/kg。
2. 抗光腐蚀能力：在连续120小时光照下，纯ZFO的带隙变化达0.18eV，而CZFO通过晶格畸变（Δa=0.02nm）和缺陷态重构，将带隙稳定性提升至0.05eV以内。
3. 工艺规模化瓶颈：实验室规模（1L反应器）制备的CZFO材料，放大至10m3反应器时，粒径分布标准差从5nm扩大到18nm，需开发新型连续流合成技术。

五、未来发展方向
研究趋势表明，材料性能优化将沿着三个维度推进：
1. 晶格工程：通过引入Mn2?（0.5at%）或Ni2?（0.3at%）进行三金属协同掺杂，可使可见光响应范围扩展至近红外区（850nm）。
2. 复合结构设计：构建"核壳-异质结"双重结构（如Fe?O?@CZFO/g-C?N?），实现电荷分离效率从68%提升至92%。
3. 智能化控制：开发基于磁场的pH自调节系统（工作范围pH=3-11），使催化剂在极端条件下的使用寿命延长至2000小时以上。

本研究系统梳理了铁氧体材料在光催化领域的最新进展，特别是Co-Zn双金属体系在可见光响应、电荷分离和磁回收等方面的突破性创新。未来研究需重点关注材料规模化制备工艺优化、全生命周期环境评估以及多技术协同处理体系的构建，以推动光催化技术从实验室走向产业化应用。