硫化物介导的Z型Ag/ZrO?异质结合成方法，用于提升对污染物的可见光光降解性能

《Inorganic Chemistry Communications》：Sulfide interceded synthesis of Z-scheme Ag/ZrO? heterojunction for enhanced visible-light photodegradation of pollutants

本文采用水热法合成Ag/ZrO? Z型异质结催化剂，以硫乙酰胺为还原剂，经500-650℃煅烧，通过PMS活化可见光下高效降解罗丹明B染料（10.43×10?? M），45分钟降解率达100%，且无需PMS时降解率仅为22%，证实该催化剂的高效性。

　　在当今社会，水污染问题日益严重，尤其是在有机污染物的处理方面。随着工业化进程的加快，特别是纺织、造纸和服装等行业的快速发展，大量的有机染料被排放到水体中，对生态环境和人类健康构成了重大威胁。这些染料不仅具有毒性，还难以被自然降解，容易在水体中长期残留，进而影响水质和生态系统。因此，开发高效、可持续的水处理技术显得尤为迫切。近年来，光催化技术因其成本低、环境友好以及能够将污染物彻底降解为无害产物（如水和二氧化碳）而受到广泛关注。其中，基于硫酸根自由基的光催化氧化过程（AOPs）被认为是去除有机污染物的有效手段之一。

银基金属氧化物光催化剂因其优异的光响应性和催化活性，在有机污染物的降解中表现出色。然而，这类催化剂通常面临两个主要问题：一是其能带宽度较大，导致在可见光下的光吸收能力有限；二是电子-空穴对容易在光照下复合，从而降低光催化效率。为了解决这些问题，研究者们尝试通过不同的策略来改善催化剂的性能，如引入零价贵金属（如银、金、铂）作为助催化剂，或与其他半导体材料形成异质结结构。其中，Z-方案异质结光催化剂因其在电子-空穴分离方面的卓越表现而备受关注。这类结构通常由两种不同的半导体组成，能够有效抑制电子-空穴的复合，同时保持合适的导带和价带位置，从而增强氧化还原能力。

在本研究中，科学家们开发了一种改进的合成方法，用于制备Ag/ZrO? Z-方案异质结光催化剂。该方法采用了水热法，并以硫代乙酰胺作为还原剂，将Ag?还原为零价银纳米颗粒。通过调节煅烧温度（500°C、550°C、600°C、650°C），科学家们制备了不同性能的Ag/ZrO?催化剂，并通过多种表征技术对其结构和性能进行了系统分析。结果显示，Ag/ZrO?–600催化剂在可见光照射下，结合1 mM PMS（过氧单硫酸盐），能够在45分钟内实现对RhB（罗丹明B）染料（浓度为10.43×10?? M）的几乎完全降解（约100%）。相比之下，在没有PMS的情况下，RhB的降解率仅为22%，即使经过120分钟的光照时间。这一显著的性能差异表明，Ag/ZrO?催化剂在PMS激活下的光催化活性远高于传统方法。

为了进一步验证Ag/ZrO?催化剂的合成方法，科学家们还进行了对照实验。当不使用硫代乙酰胺时，所获得的材料的PXRD图谱与已知的Ag?ZrO?的报告图谱一致，表明在没有还原剂的情况下，材料可能形成了另一种结构。然而，当硫代乙酰胺被氢氧化钠替代后，PXRD图谱仍然保持与Ag?ZrO?一致，这表明Ag/ZrO?催化剂的形成主要依赖于合成方法，而非特定的还原剂。这一发现进一步确认了合成工艺在催化剂结构调控中的关键作用。

在实际应用中，Ag/ZrO?催化剂被用于对RhB染料的降解实验。为了评估其在不同浓度下的表现，研究者们选择了10 ppm、30 ppm和50 ppm三种RhB浓度进行测试。结果显示，在10 ppm和30 ppm浓度下，RhB的降解分别在15分钟和30分钟内完成，而在50 ppm浓度下，虽然降解时间有所延长，但仍然在45分钟内达到了几乎完全的降解效果。这表明Ag/ZrO?催化剂不仅具有高效的降解能力，还能适应不同浓度的污染物，展现出良好的应用前景。

此外，科学家们还探讨了Ag/ZrO?催化剂的光催化机制。通过实验观察，当可见光照射到Ag/ZrO?催化剂表面时，ZrO?中的电子被激发并转移到导带，随后通过能量转移过程，部分电子被转移到银纳米颗粒的价带。与此同时，银纳米颗粒中的电子也会被激发并转移到导带，而空穴则留在价带。这种电子-空穴的分离机制使得催化剂能够有效地激活PMS，生成高活性的硫酸根自由基，进而参与有机污染物的降解反应。此外，银纳米颗粒的表面特性（如零价银的高活性）也对反应的进行起到了关键作用，使其在可见光下能够高效地催化氧化反应。

本研究的成果不仅为有机污染物的处理提供了新的思路，也为开发高效、环保的光催化剂提供了重要的实验依据。Ag/ZrO?催化剂的合成方法简单、成本低，且能够通过调节煅烧温度来优化其性能。这使得该材料在实际应用中具有较大的潜力。与传统的光催化材料相比，Ag/ZrO?催化剂在可见光下的响应能力更强，且能够更有效地抑制电子-空穴的复合，从而提高催化效率。这些优势使其成为处理工业废水、特别是含有复杂有机污染物的废水的理想选择。

在材料的表征方面，科学家们采用了多种先进的分析技术，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线光电子能谱（XPS）以及紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）等。这些技术不仅能够确认催化剂的晶体结构和化学组成，还能分析其表面形貌和电子结构，为理解其催化机制提供了重要的支持。通过这些表征手段，科学家们发现Ag/ZrO?催化剂在不同煅烧温度下表现出不同的性能，其中600°C煅烧的样品在可见光下具有最佳的光催化活性。

在实际应用中，Ag/ZrO?催化剂被用于对RhB染料的降解实验。实验结果显示，在可见光照射下，结合1 mM PMS，Ag/ZrO?–600催化剂能够在45分钟内实现对RhB的几乎完全降解，而其他催化剂则需要更长的时间或更高的剂量才能达到类似效果。这表明Ag/ZrO?催化剂在PMS激活下的光催化活性显著优于其他同类材料。此外，Ag/ZrO?催化剂的高催化效率也使其在实际水处理过程中具有较大的应用价值。

为了进一步探讨Ag/ZrO?催化剂的性能，科学家们还进行了不同条件下的实验，包括PMS浓度、光照时间以及催化剂用量等。实验结果表明，随着PMS浓度的增加，RhB的降解速率也随之提高，但过高的PMS浓度可能导致反应效率下降。这表明在实际应用中，需要优化PMS的浓度以达到最佳的降解效果。此外，光照时间对降解速率也有显著影响，较长的光照时间可以提高反应的彻底性，但也会增加能耗。因此，在实际应用中，需要平衡光照时间和能耗，以实现高效的污染物降解。

本研究的创新点在于采用了一种改进的合成方法，结合水热法和煅烧工艺，成功制备了具有优异光催化性能的Ag/ZrO? Z-方案异质结催化剂。与传统的光催化材料相比，该催化剂不仅具有更高的光响应能力，还能有效抑制电子-空穴的复合，从而提高催化效率。此外，该催化剂的合成过程简单，成本较低，且能够通过调节煅烧温度来优化其性能，使其在实际应用中具有较大的潜力。

在实验过程中，科学家们还考虑了不同因素对催化剂性能的影响，包括PMS的浓度、光照时间以及催化剂的用量等。通过系统的实验设计，他们发现这些因素对降解速率和降解效率具有显著影响。例如，当PMS浓度较低时，RhB的降解速率较慢，但随着PMS浓度的增加，降解速率也随之提高。然而，过高的PMS浓度可能导致反应效率下降，因此需要找到最佳的PMS浓度以达到理想的降解效果。此外，光照时间对降解速率也有重要影响，较长的光照时间可以提高反应的彻底性，但也会增加能耗。因此，在实际应用中，需要根据具体情况调整光照时间和PMS浓度，以实现最佳的降解效果。

本研究的成果不仅为有机污染物的处理提供了新的思路，也为开发高效、环保的光催化剂提供了重要的实验依据。Ag/ZrO?催化剂的合成方法简单、成本低，且能够通过调节煅烧温度来优化其性能，使其在实际应用中具有较大的潜力。与传统的光催化材料相比，该催化剂不仅具有更高的光响应能力，还能有效抑制电子-空穴的复合，从而提高催化效率。此外，该催化剂的高催化效率也使其在实际水处理过程中具有较大的应用价值。

在实验过程中，科学家们还考虑了不同因素对催化剂性能的影响，包括PMS的浓度、光照时间以及催化剂的用量等。通过系统的实验设计，他们发现这些因素对降解速率和降解效率具有显著影响。例如，当PMS浓度较低时，RhB的降解速率较慢，但随着PMS浓度的增加，降解速率也随之提高。然而，过高的PMS浓度可能导致反应效率下降，因此需要找到最佳的PMS浓度以达到理想的降解效果。此外，光照时间对降解速率也有重要影响，较长的光照时间可以提高反应的彻底性，但也会增加能耗。因此，在实际应用中，需要根据具体情况调整光照时间和PMS浓度，以实现最佳的降解效果。

综上所述，本研究通过改进的合成方法成功制备了具有优异光催化性能的Ag/ZrO? Z-方案异质结催化剂。该催化剂在可见光照射下，结合PMS，能够高效地降解有机污染物，如RhB染料。与传统的光催化材料相比，Ag/ZrO?催化剂不仅具有更高的光响应能力，还能有效抑制电子-空穴的复合，从而提高催化效率。此外，该催化剂的合成过程简单、成本低，且能够通过调节煅烧温度来优化其性能，使其在实际应用中具有较大的潜力。这些优势使得Ag/ZrO?催化剂成为处理工业废水、特别是含有复杂有机污染物的废水的理想选择。未来，进一步研究该催化剂在不同条件下的性能，以及探索其在实际水处理中的应用，将有助于推动环保技术的发展，为解决水污染问题提供更加有效的解决方案。