研究背景

水是所有生命形態賴以生存的珍貴自然資源。獲取純凈安全的飲用水是維護人類健康和社會福祉的基本需求。然而，約97.5%的水資源以海水和咸水湖形式存在，無法直接利用。為應對全球淡水需求激增，物理、化學和生物處理技術得到廣泛研究。其中，光催化去除廢水染料和基于界面太陽能蒸汽生成（ISSG）的海水淡化技術因利用太陽能這一可持續能源進行水處理而備受關注，其優勢在于降低傳統能源依賴并兼具環境友好性。相較于傳統方法，這兩種經濟型技術可顯著減少化學廢物產生。尤為值得關注的是，染料降解與太陽能脫鹽的協同作用不僅可從鹽水獲取淡水，還可同步處理染料污染廢水，這種協同整合提升了水處理效率并降低環境影響，為解決水質與水資源短缺問題提供了經濟方案。

在催化領域，高效材料是染料降解與脫鹽的核心需求，而光催化劑性能尤為關鍵。理想光催化劑應具備高光活性、高效載流子分離能力及環境穩定性。盡管金屬氧化物（如TiO2、Fe2O3、Fe3O4、Mn2O3、MnO2、Mn3O4）已被廣泛應用于染料降解和ISSG，但其光吸收范圍有限、電子-空穴復合率高及性能調控困難等問題仍需解決。

ABO3型鈣鈦礦材料因獨特的物理化學特性成為突破這些局限的新選擇。其結構中氧離子圍繞過渡金屬形成的立方八面體構型賦予其豐富理化性質：強光熱/光催化響應、可調晶體結構、豐富氧空位及多價態帶來的光學性能提升。通過形貌工程、異質結構建及核殼設計等策略，多種ABO3鈣鈦礦（包括原始態與復合材料）已在各類陰陽離子染料降解中展現潛力。相較于鈦/鉭/錫/鈷基鈣鈦礦，鐵基鈣鈦礦因可見光響應帶隙（1.95–2.7 eV）、相穩定性及化學計量優勢備受關注，其中Fe4+/Fe3+混合價態通過提升離子遷移率和調控電荷傳輸顯著增強催化性能。

近期研究發現，多孔LaFeO3（LFO）核桃結構及鎳摻雜LFO納米微球在氙燈下對羅丹明B、結晶紫、亞甲基藍及結晶紫-剛果紅二元染料體系展現出優異降解性能。SrFeO3、CeFeO3、BiFeO3等材料在有機染料處理中也取得顯著進展。通過將六方氮化硼（hBN）及氮化硼量子點（BNQD）與MnFeO3（MFO）構建異質結構，可高效去除廢水中的布洛芬、靛藍胭脂紅、橙黃II及四環素等污染物。在ISSG領域，SrCoO3（SCO）、LaNiO3（LNO）、LaCoO3（LCO）及其摻雜/復合材料（如鍶摻雜LCO、鍶鐵共摻雜LCO、LCO-MXene復合體）占據主導。值得關注的是，錳鐵氧體（MFO）憑借其優異理化性質成為ISSG領域的新星，其錳鐵多價態協同效應不僅增強電荷分離能力，還拓寬光吸收范圍，加之錳鐵元素成本低廉、儲量豐富，使其成為鑭基鈣鈦礦的理想替代材料。

盡管各類鐵基ABO3材料已在光催化和ISSG領域分別取得進展，但開發兼具光催化降解、太陽能脫鹽及水伏發電三功能的一體化材料仍是重大挑戰。本研究首次系統探索共沉淀法制備的MFO納米顆粒（NPs）的三功能應用：在300W氙燈反應器中，MFO對結晶紫、剛果紅等六種陰陽離子染料展現出優異降解性能，活性自由基介導的降解率分別達98.99%和89.88%；涂覆纖維素紙的MFO蒸發器在模擬太陽光及實際光照條件下，可處理3.5-10 wt%不同鹽濃度的鹽水；基于雙電層（EDL）效應的水伏發電實驗顯示，3.5 wt%鹽水中10個串聯器件在日光下產生0.7 V開路電壓。該研究為開發可持續、高能效的集成化水處理技術提供了新思路，在解決淡水短缺、環境污染及可再生能源需求方面具有重要應用前景。

相關成果以“Tri-functional MFO nanoparticles for photocatalytic complex dye removal, salt-resistive ISSG membrane, and hydrovoltaic electricity generation”為題發表在《Desalination》上。（IF=8.4）

研究數據

圖 1.用于陰離子和陽離子染料的三功能光催化染料去除、鹽水界面太陽能蒸汽產生 （ISSG） 和能源產生的 MFO NPs 的示意圖。

圖 2.使用共沉淀法合成 MFO NPs 所遵循的方案示意圖。

圖 3.（a） XRD 圖譜，（b） FESEM 圖像，以及 （c） MFO NP 的 EDS 光譜。（b） 的插圖表示高倍率 FESEM 圖像，（c） 的插圖顯示了 MFO NPs 的 Fe、Mn 和 O 元素的映射。

圖 4.（a） 使用 UV-Vis DRS 的反射光譜和 （b） MFO NP 的拉曼光譜。

圖 5.MFO NP 中存在的 （a） Mn、（b） Fe 和 （c） O 核心能級的高分辨率 XPS 光譜。

圖 6.（一、四）降解效率直方圖、（b、e） 反應動力學曲線和 （c、f） 偽一級動力學圖分別從染料的吸收光譜評估，用于催化劑劑量優化（圖 S2）和使用 MFO NP 的不同染料（圖 S3）。

圖 7.（a） 不同清除劑對染料去除效果的直方圖表示，以及 （b） 使用 MFO NPs 對 10 ppm CV 染料光催化降解的循環穩定性性能。

圖 8.（a） 表面溫度的變化，以及 （b） 使用 MFO 蒸發器的紅外相機在空氣/水界面處捕獲的實時熱圖像。

圖 9.（a） 隨時間變化的質量損失，（b） 去離子水和鹽水的蒸發速率，以及 （c） 鹽水的 TDS 測量;（d） ISSG 五個循環的循環穩定性，（e） 強度依賴性質量損失，以及 （f） 在 MFO 蒸發器上進行的陽光直射下去離子水的蒸發速率。

圖 10.（a） 使用 MFO 蒸發器發電的示意圖模型。（b） V 的時間響應OC （英超頻）對于在 SCM 和 RCM 中配置的設備。（c） 當水滴落在 MFO 蒸發器上時，會產生電壓。（d） 感應電勢測量機制 V 的示意圖OC （英超頻）對于不同的 （e） 鹽濃度和 （f） 表面溫度。

圖 11.（a） V 的時間響應超頻在室溫下，以及 （b） 對于在 SCM 和 RCM 中配置的設備，使用串聯的 10 個 MFO 蒸發器陣列;（b） 的插圖表示每個 MFO 蒸發器在其干端的表面溫度，（c、d） 實時圖像，包括用于具有可逆器件極性的電動測量的 MFO 蒸發器陣列。

圖 12.（a） 由蒸發器組成的設備MFO@cellulose示意圖，（b） 在 1 個陽光照射下使用 3.5 wt% 水的發電性能，以及 （c） 被調查設備的實時照片。

https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119030