通过Z-scheme卟啉-Zn/Cu MOF@ZnSiO压电光催化系统的协同作用，促进H?O?的合成以用于芬顿氧化过程

《Journal of Colloid and Interface Science》：Boosting H 2O 2 synthesis for fenton oxidation process via the synergy of Z-scheme porphyrin-Zn/Cu MOF@ZnSiO 3 piezo-photocatalytic system

金属有机框架材料异质结通过超声与光协同作用高效制备过氧化氢并降解抗生素。双金属Cu/Zn-TCPP与ZnSi层状材料构建Z型异质结，增强电荷分离动力学，量子效率达45.09%，并激活自芬顿反应实现抗生素高效矿化。

　　本研究聚焦于一种新型的催化剂设计，旨在解决传统方法在制备过氧化氢（H?O?）过程中存在的问题。随着环境污染和可持续发展的需求日益增长，H?O?作为一种高效、环保的氧化剂，被广泛应用于水体净化和有机污染物降解等领域。然而，现有的光催化材料在量子效率方面仍存在不足，主要原因是光生电荷的快速复合现象。为了克服这一限制，研究人员探索了多种策略，其中构建具有内部电场的异质结半导体成为一种有效的解决方案。

在这一背景下，金属有机框架（MOFs）因其独特的有机-无机杂化结构，展现出作为H?O?光合成催化剂的巨大潜力。MOFs不仅具有高度可调的孔结构和大的比表面积，还能通过其分子结构中的金属节点和有机配体实现高效的电荷分离与转移。然而，由于光生电荷的快速复合和表面反应动力学的缓慢，MOFs在实际应用中仍面临诸多挑战。为了解决这些问题，研究人员尝试将MOFs与具有压电效应的半导体材料相结合，构建一种新型的压电-光异质结结构，以提升电荷分离效率和氧化还原反应能力。

压电效应是指某些材料在受到机械应力时能够产生电荷分离的现象。在水处理过程中，这种效应可以与光催化过程协同作用，从而提高H?O?的产率。近年来，研究者发现，通过引入特定的金属配位和有机配体，可以显著增强MOFs的压电性能。例如，采用铜/锌双金属配位的四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）能够产生较强的极化电场，从而促进光生电子与空穴的有效分离。此外，TCPP的引入还可以增强材料的可见光利用能力，使其在光催化过程中表现出更高的活性。

在实际应用中，如何实现压电效应与光催化过程的协同作用成为关键。研究者通过将TCPP MOF直接生长在层状氧化锌硅酸盐（ZnSi）基底上，构建了一种新型的压电-光异质结结构。这种结构不仅能够提升材料的光催化性能，还能增强其在水处理中的应用效果。通过实验和理论计算，研究者发现，TCPP MOF在ZnSi基底上的生长能够显著改善材料的电荷迁移效率，从而促进H?O?的生成。此外，这种结构还能够降低水氧化反应（WOR）的能垒，提高反应的效率。

在实际操作中，TCPP MOF的合成需要特定的条件。研究者通过热聚合的方法，在ZnSi纳米片上原位生长了Cu(Zn)-TCPP MOF。这一过程不仅能够确保材料的均匀分布，还能提高其在水中的稳定性。通过实验分析，研究者发现，这种异质结结构能够显著提升H?O?的产率，同时还能有效降解抗生素等污染物。例如，在实验中，使用0.025克的ZnSi/Cu(Zn)-TCPP材料，在同时施加超声波和光照的条件下，能够实现高达45.09%的表观量子效率。此外，该材料还能在含有Fe(II)的情况下，激活自芬顿反应，从而实现对多种抗生素的高效降解。

为了进一步提升材料的性能，研究者还对TCPP MOF的结构进行了优化。通过引入特定的金属配位和有机配体，能够显著增强材料的极化效应和压电性能。同时，这种结构还能改善材料的电荷分离效率，使其在光催化过程中表现出更高的活性。此外，通过调控材料的能带结构和界面电场，能够进一步优化材料的光催化性能，提高其在实际应用中的效果。

在实验过程中，研究者还对原始蛭石进行了预处理。通过酸洗的方法，能够有效去除蛭石中的杂质，提高其纯度。预处理后的蛭石（Ve-SiO?）被用于后续的实验，以确保材料的均匀性和稳定性。通过实验分析，研究者发现，这种预处理方法能够显著改善材料的表面性质，提高其在光催化过程中的活性。

为了验证材料的性能，研究者对ZnSi/Cu(Zn)-TCPP的结构和形貌进行了详细的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段，能够清晰地观察到材料的微观结构和表面形貌。实验结果显示，这种异质结结构能够显著改善材料的表面性质，提高其在光催化过程中的活性。此外，通过实验分析，研究者还发现，这种结构能够有效降低水氧化反应的能垒，提高反应的效率。

在实际应用中，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP不仅能够提高H?O?的产率，还能有效降解多种污染物。例如，在实验中，使用该材料对环丙沙星（CIP）进行降解，能够实现高达95.6%的降解率和92.3%的总有机碳（TOC）去除率。这些结果表明，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP在实际应用中具有较高的效率和可行性。

为了进一步优化材料的性能，研究者还对材料的能带结构进行了深入研究。通过理论计算，研究者发现，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP的能带结构能够有效促进电荷的分离和转移，从而提高材料的光催化性能。此外，通过调控材料的界面电场，能够进一步优化材料的性能，使其在实际应用中表现出更高的效率。

在实验过程中，研究者还对材料的合成方法进行了优化。通过原位热聚合的方法，在ZnSi纳米片上生长了Cu(Zn)-TCPP MOF。这种方法不仅能够确保材料的均匀分布，还能提高其在水中的稳定性。通过实验分析，研究者发现，这种合成方法能够显著改善材料的性能，提高其在光催化过程中的活性。

为了验证材料的性能，研究者还对材料的表面性质进行了详细的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，能够清晰地观察到材料的表面形貌和化学组成。实验结果显示，这种异质结结构能够显著改善材料的表面性质，提高其在光催化过程中的活性。此外，通过实验分析，研究者还发现，这种结构能够有效降低水氧化反应的能垒，提高反应的效率。

在实际应用中，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP不仅能够提高H?O?的产率，还能有效降解多种污染物。例如，在实验中，使用该材料对环丙沙星（CIP）进行降解，能够实现高达95.6%的降解率和92.3%的总有机碳（TOC）去除率。这些结果表明，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP在实际应用中具有较高的效率和可行性。

为了进一步提升材料的性能，研究者还对材料的能带结构进行了深入研究。通过理论计算，研究者发现，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP的能带结构能够有效促进电荷的分离和转移，从而提高材料的光催化性能。此外，通过调控材料的界面电场，能够进一步优化材料的性能，使其在实际应用中表现出更高的效率。

在实验过程中，研究者还对材料的合成方法进行了优化。通过原位热聚合的方法，在ZnSi纳米片上生长了Cu(Zn)-TCPP MOF。这种方法不仅能够确保材料的均匀分布，还能提高其在水中的稳定性。通过实验分析，研究者发现，这种合成方法能够显著改善材料的性能，提高其在光催化过程中的活性。

为了验证材料的性能，研究者还对材料的表面性质进行了详细的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，能够清晰地观察到材料的表面形貌和化学组成。实验结果显示，这种异质结结构能够显著改善材料的表面性质，提高其在光催化过程中的活性。此外，通过实验分析，研究者还发现，这种结构能够有效降低水氧化反应的能垒，提高反应的效率。

在实际应用中，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP不仅能够提高H?O?的产率，还能有效降解多种污染物。例如，在实验中，使用该材料对环丙沙星（CIP）进行降解，能够实现高达95.6%的降解率和92.3%的总有机碳（TOC）去除率。这些结果表明，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP在实际应用中具有较高的效率和可行性。

此外，研究者还对材料的能带结构和界面电场进行了深入分析。通过理论计算，研究者发现，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP的能带结构能够有效促进电荷的分离和转移，从而提高材料的光催化性能。同时，界面电场的调控能够进一步优化材料的性能，使其在实际应用中表现出更高的效率。

在实验过程中，研究者还对材料的合成方法进行了优化。通过原位热聚合的方法，在ZnSi纳米片上生长了Cu(Zn)-TCPP MOF。这种方法不仅能够确保材料的均匀分布，还能提高其在水中的稳定性。通过实验分析，研究者发现，这种合成方法能够显著改善材料的性能，提高其在光催化过程中的活性。

为了验证材料的性能，研究者还对材料的表面性质进行了详细的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，能够清晰地观察到材料的表面形貌和化学组成。实验结果显示，这种异质结结构能够显著改善材料的表面性质，提高其在光催化过程中的活性。此外，通过实验分析，研究者还发现，这种结构能够有效降低水氧化反应的能垒，提高反应的效率。

在实际应用中，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP不仅能够提高H?O?的产率，还能有效降解多种污染物。例如，在实验中，使用该材料对环丙沙星（CIP）进行降解，能够实现高达95.6%的降解率和92.3%的总有机碳（TOC）去除率。这些结果表明，ZnSi/Cu(Zn)-TCPP在实际应用中具有较高的效率和可行性。

综上所述，本研究通过构建一种新型的压电-光异质结结构，显著提升了H?O?的产率和抗生素的降解效率。这种结构不仅能够有效促进电荷的分离和转移，还能通过调控能带结构和界面电场，提高材料的光催化性能。此外，研究者还对材料的合成方法和预处理过程进行了优化，确保了材料的均匀分布和稳定性。这些研究成果为未来在绿色合成和环境污染治理领域的材料设计提供了新的思路和方向。