对可持续和环境友好型解决方案的需求加速了全球对绿色和可再生技术的需求。在这方面，半导体光催化剂因其在减少污染物和有效利用太阳能方面的潜力而成为一种有吸引力的解决方案。光催化剂是暴露在光下时引发化学反应的材料。尽管取得了进步，常用的光催化剂仍存在光催化活性降低和可见光谱内操作范围狭窄的问题。此外，它们很难从水基溶液中回收，限制了它们在连续工艺中的应用。

铁酸铋(BiFeO3 )具有窄带隙和磁性，是一种有吸引力的替代光催化剂。 BiFeO 3的窄带隙允许有效利用可见光区域的光将电子从价带激发到导带，留下空穴。激发的电子和空穴都可以引发化学反应，导致水溶液中污染物的降解。此外，铁磁性使得BiFeO 3能够容易地从溶液中回收。然而，与普通光催化剂类似，BiFeO 3也会遭受电子空穴对的快速复合，严重限制了其光催化活性。

为了解决这个问题，日本东京工业大学创新研究所副教授 Tso-Fu Mark Chang 领导的研究小组开发了新型金 (Au) 纳米粒子修饰的 BiFeO 3纳米晶体。他们的研究于 2024 年 4 月 5 日在线发表在《A 应用纳米材料》杂志上，其插图被选为 A 补充封面的封面图片。

Chang博士解释说：“由于Au纳米颗粒独特的局域表面等离子体共振，BiFeO 3中掺入Au纳米结构可以为光降解反应引入更多的活性位点，并且BiFeO 3中的激发电子向金域的转移抑制了光降解反应的发生。”电子-空穴对的复合。新开发的 Au 装饰 BiFeO 3纳米晶体利用了两种机制的协同特性。”

研究人员通过水热合成方法和简单的溶液工艺制备了Au-BiFeO 3纳米晶体，并用不同量的Au修饰BiFeO 3 。该团队通过评估 Au-BiFeO 3纳米晶体降解亚甲基蓝(MB)(一种常见的牛仔布染料)的功效，优化了它们的光催化活性。 MB 高度溶于水，对水生生物和人类健康构成重大风险。这也使其成为测试光催化剂功效的理想污染物。

实验表明，按重量计，含 1.0% Au 的样品表现出最佳活性，在 500 瓦氙灯下 120 分钟内实现了令人印象深刻的 98% 降解效率。此外，在四次120分钟的循环后，它还保留了80%的原始活性，表现出优异的稳定性。此外，Au对BiFeO 3 磁性能的影响可以忽略不计，表明其具有优异的可回收性。

研究人员还研究了金增强光催化活性的机制。当适当波长的光照射Au-BiFeO 3纳米晶体时，BiFeO 3 中的电子被激发到导带。与裸露的 BiFeO 3 中发生的复合不同，引入比 BiFeO 3 导带具有较小负费米能级的金，有利于激发电子从导带转移到金域，从而促进空穴在 BiFeO 3 中的积累。这增强了 BiFeO 3 的光催化活性，使其更容易诱导水溶液中羟基自由基的产生。这些羟基自由基活性很高，很容易攻击水溶液中的 MB 分子，从而将它们转化为无害产物。

“这些发现增强了我们对光催化中金-半导体相互作用的理解，为设计和开发先进的纳米晶体材料铺平了道路，”Chang 博士评论道。“总的来说，我们的研究突出了 Au-BiFeO 3的良好活性和可回收性，强调了其在高效和可持续的环境污染物降解方面的潜力。”