Cr3+掺杂NiO纳米颗粒的浓度依赖性结构调控与光催化性能增强机制研究

针对工业染料废水处理难题，研究人员通过溶液燃烧法合成Cr3+掺杂NiO纳米催化剂，系统研究其结构-性能关系。XRD/XPS证实单相Ni1-xCrxO立方晶系结构，5 mol% Cr掺杂样品展现91.6%的RhB降解率，归因于Cr3+诱导的带隙窄化（3.46→3.38 eV）及表面缺陷增多。该研究为设计高效环境修复材料提供新思路。

　　

随着纺织、印染等行业的快速发展，合成染料对水体的污染已成为全球性环境挑战。传统处理方法难以彻底分解这些顽固性污染物，而半导体光催化技术因其高效、环保的特性被视为最有前景的解决方案之一。在众多光催化材料中，氧化镍(NiO)因其宽禁带(3.6-4.0 eV)、低成本和无毒等特点备受关注，但其光生电子-空穴对复合率高的缺陷限制了实际应用。针对这一瓶颈，过渡金属掺杂被证明是调控NiO电子结构的有效策略，其中三价铬(Cr³⁺)因其独特的电子构型成为理想选择。

为深入探究掺杂浓度与性能的构效关系，研究人员采用创新性的溶液燃烧合成法(SCS)，以亮氨酸为燃料，制备了系列Cr³⁺掺杂NiO纳米颗粒(Ni_1-xCr_xO, x=0-0.09)。通过多尺度表征技术揭示了材料的结构演变规律：XRD证实所有样品均保持立方晶系(Fm^ˉ3m空间群)，Cr³⁺的引入导致晶格收缩和微应变增加；XPS分析确认Ni²⁺和Cr³⁺的单一价态；SEM/TEM显示5 mol% Cr掺杂样品具有最优的孔隙结构和表面粗糙度，BET比表面积显著提升。

关键实验技术包括：X射线衍射(XRD)分析晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)测定元素价态，扫描/透射电镜(SEM/TEM)观察形貌，紫外-可见光谱(UV-vis)计算带隙，N₂吸附-脱附(BET)测定比表面积，以及罗丹明B(RhB)降解实验评价光催化活性。

结构研究：XRD精修表明Cr³⁺成功取代Ni²⁺位点，引起晶格畸变和微应变，当x=0.05时晶胞参数最小(4.168 ?)。这种晶格压缩效应通过TEM选区电子衍射(SAED)得到进一步验证。

光学性能：DRS光谱显示随着Cr含量增加，吸收边发生红移，带隙从3.46 eV(x=0)降至3.38 eV(x=0.05)，归因于Cr 3d轨道与Ni 3d/O 2p轨道的杂化作用。这种带隙调控显著提升了材料对紫外光的捕获能力。

光催化机制：在优化条件下(pH=9，催化剂用量20 mg/L)，Ni_0.95Cr_0.05O样品对RhB的降解效率达91.6%，动力学常数是纯NiO的2.3倍。自由基捕获实验证实·OH和·O₂^-是主要活性物种，Cr³⁺掺杂产生的氧空位作为电子陷阱抑制了载流子复合。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了Cr³⁺掺杂浓度对NiO结构缺陷与光催化活性的定量关系，提出的"掺杂-缺陷-活性位点"协同作用机制为设计高效环境修复材料提供了理论依据。特别是通过简单的SCS方法实现材料性能的显著提升，展现出良好的工业化应用前景。未来可进一步探索Cr掺杂NiO在可见光响应及多种污染物协同降解中的应用潜力。