CuS-ZnO纳米异质结协同增效光催化与化学催化降解有机染料机制及其环境生物医学应用研究

《Journal of Immunological Methods》：CuS–ZnO Nanoheterojunctions with Synergistic Interactions for Efficient Photocatalytic and Chemocatalytic Degradation of Organic Dyes

本研究通过机械化学法构建CuS-ZnO异质结纳米复合材料，系统验证其通过能带调控（Band Edge Alignment）和电子中继效应（Electron Relay）实现双模式催化（光催化/化学催化），对甲基橙（MO）、亚甲基蓝（MB）等染料降解率超90%，细胞毒性实验证实降解产物生物安全性，为纳米材料在环境修复与健康风险控制领域提供创新策略。

　　

Structural investigation

通过X射线衍射（XRD）对纯CuS、ZnO及CuS-ZnO纳米样品进行分析（图1）。其中添加10 wt%和30% ZnO的复合材料分别标记为C1和C2。CuS所有衍射峰（27.64°、29.23°、31.7°等）与六方晶系covellite标准卡片（ICDD No:01-078-0876）一致，而ZnO特征峰（31.7°、34.4°、36.2°等）对应纤锌矿结构（ICDD No:01-079-0205）。复合材料中两相共存且无杂质峰，证实成功构建异质结。Rietveld精修显示ZnO加入导致CuS晶格膨胀，表明Zn²⁺可能掺杂进入CuS晶格。

Conclusions

通过机械化学法成功合成不同ZnO比例的CuS-ZnO纳米复合材料，并经XRD（Rietveld精修）、拉曼光谱（Raman）、高分辨透射电镜（HR-TEM）、能谱分析（EDS）和场发射扫描电镜（FE-SEM）验证其结构。该复合材料在太阳光驱动和NaBH₄辅助降解甲基橙（MO）染料中表现出卓越催化性能，远超单一组分。本研究首次报道该材料的双模式催化功能（光催化与化学催化），并通过细胞毒性实验证明降解产物对生物系统安全性显著提升。能带排列与电荷转移机制揭示了光催化过程，而化学催化活性源于电子中继效应。zeta电位测量证实催化剂表面电荷对染料降解的关键作用。强染料吸附、高效电子转移和优化还原路径共同促成高化学催化效率；而CuS-ZnO协同作用、改善的电荷分离、活性氧（ROS）生成、扩大的可见光吸收和更大比表面积则协同增强光催化性能，为基于covellite异质结的染料废水处理提供绿色高效新途径。