分级结构NiO/ZnS纳米复合材料实现高效光催化性能的优化研究

本研究针对染料污染水处理难题，通过p-SILAR法构建分级结构NiO/ZnS p-n异质结。该复合材料利用界面电荷分离效应显著抑制光生载流子复合，在120分钟内实现84.5%的RhB染料降解率，为环境净化提供了新型高效光催化剂。

　　

随着纺织和化妆品行业染料用量的激增，工业废水处理已成为全球性环境挑战。传统水处理技术难以有效降解有机染料分子，而光催化技术利用半导体材料在光照下产生的活性氧物种，能够将有机污染物彻底分解为无害物质。在众多光催化材料中，氧化镍(NiO)因其稳定性高、无毒且成本低廉等优势备受关注，特别是具有丰富不饱和键和缺陷位点的分级结构NiO，能提供更多反应活性中心。然而，纯NiO存在光生电荷复合速率快、带隙较宽等固有缺陷，严重制约其实际应用效能。

为突破这一瓶颈，研究人员将目光投向p-n异质结构建策略。通过将p型NiO与n型半导体耦合，利用界面内建电场促进光生电子-空穴对的分离，可显著提升光催化效率。尽管已有研究尝试将NiO与ZnO、TiO₂等材料复合，但ZnS因其独特的能带结构和易于沉积的特性，展现出特殊优势。本研究创新性地采用伪连续离子层吸附反应(p-SILAR)技术，在分级结构NiO表面沉积纳米级ZnS，构建出高效的p-n异质结光催化剂。

本研究采用多学科交叉的技术路线系统评估材料性能。通过水热法合成Ni(OH)₂前驱体，经400°C退火5小时获得分级NiO纳米花。随后运用p-SILAR技术，以锌硝酸盐和硫化钠分别为阴阳离子前驱体，通过调控沉积周期(2-8次)优化ZnS负载量。材料表征体系包含：X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电子显微镜(SEM)观测形貌，X射线光电子能谱(XPS)测定表面化学组成，紫外-可见光谱(UV-vis)和光致发光光谱(PL)评估光学性能，电化学阻抗谱(EIS)和光电流测试表征电荷分离效率。光催化性能以罗丹明B(RhB)染料为降解对象，结合自由基捕获实验阐明反应机制。

材料表征结果显示，分级NiO呈现典型纳米花结构，EDS分析证实Ni、O元素原子百分比为46.8:53.1。ZnS沉积后异质结保持原有形貌，元素面分布图显示Zn、S元素均匀分布在NiO表面。XRD谱图中28.8°处出现ZnS(111)晶面特征峰，证实异质结成功构建。XPS深度分析揭示了Ni 2p_3/2(854.4 eV)和Ni 2p_1/2(871.4 eV)、Zn 2p_3/2/Zn 2p_1/2以及S 2p_3/2/S 2p_1/2的特征峰位，界面化学环境得到明确解析。

光学性能测试表明异质结出现红移现象，带隙能量从3.4 eV降至3.27 eV，有利于可见光吸收。莫特-肖特基测试证实NiO(p型)和ZnS(n型)的半导体特性，为p-n结形成提供理论依据。EIS谱图显示异质结具有更小的半圆直径，对应较低的电荷传输电阻(R_t)。光电流强度显著增强，证明界面电荷分离效率提升。

光催化降解实验表明，异质结在120分钟内实现84.5%的RhB降解率，反应速率常数(K_c)显著高于纯NiO。自由基捕获实验发现，加入苯醌(BQ)和草酸铵(AO)后降解率大幅下降，而异丙醇(IPA)影响较小，证明超氧自由基(•O₂^-)和空穴(h⁺)是主要活性物种。能带结构分析显示，ZnS的导带(CB)和价带(VB)位置分别为-0.573 V和+3.077 V(vs NHE)，NiO的CB/VB为-0.333 V/+3.117 V。能级匹配促使电子从NiO向ZnS迁移，空穴反向传输，形成高效电荷分离通道。

稳定性测试经过5次循环后，降解率仅从84.5%降至80.5%，证明材料具有良好的可重复使用性。这种优异的稳定性源于分级结构的机械强度和异质结界面结合的牢固性。

本研究成功通过p-SILAR技术构建了分级结构NiO/ZnS p-n异质结光催化剂。该材料利用界面能带工程有效抑制了光生电荷复合，显著提升了光催化降解性能。系统表征证明了异质结的成功构建、优化的光学性能以及高效的电荷分离机制。自由基捕获实验明确了•O₂^-和h⁺在降解过程中的主导作用。该研究为设计高效稳定的光催化剂提供了新思路，在环境污染物治理领域具有重要应用前景。论文发表于《Desalination and Water Treatment》期刊，为水处理技术的发展提供了有价值的参考。