沸石增强MWCNTs/ZnO/CeO2纳米复合材料的光催化降解性能研究

《BMC Chemistry》：Investigating zeolite-infused MWCNTs/ZnO/CeO2 nanocomposites: photocatalytic efficiency

本研究针对工业废水中有机染料污染问题，通过构建沸石负载的多壁碳纳米管/氧化锌/二氧化铈（MWCNTs/ZnO/CeO2）三元纳米复合材料，开发出具有高效可见光催化活性的新型催化剂。研究结果表明，TZ复合材料对亚甲基蓝（MB）的降解率高达93.71%，对实际纺织废水的处理效率达到76.75%，且经过四次循环使用后仍保持良好稳定性，为工业废水处理提供了新材料解决方案。

　　

随着纺织、印染等工业的快速发展，含有持久性有机污染物的工业废水对环境造成了严重威胁。其中，亚甲基蓝（MB）作为一种典型的噻嗪类染料，因其环境持久性、难生物降解性和潜在生物毒性而备受关注。传统的水处理方法难以有效降解这类污染物，因此开发高效、稳定的废水处理技术成为当务之急。

在这一背景下，半导体光催化技术因其能够利用太阳能降解有机污染物而展现出巨大潜力。氧化锌（ZnO）作为一种常见的半导体材料，虽然具有成本低、环境友好等优点，但其较宽的带隙（3.37 eV）限制了其对可见光的利用，且光生电子-空穴对容易复合，导致量子产率较低。为了克服这些局限性，研究人员尝试通过构建异质结、掺杂其他半导体材料等策略来改善ZnO的光催化性能。

近期发表于《BMC Chemistry》的研究中，Haile Belachew Tadese等人创新性地将多壁碳纳米管（MWCNTs）、二氧化铈（CeO₂）与沸石相结合，开发出一种新型的沸石增强MWCNTs/ZnO/CeO₂纳米复合材料。该研究旨在通过多元组分的协同效应，显著提高材料在可见光区的光催化活性，并为实际工业废水处理提供高效解决方案。

研究人员采用沉淀法和浸渍法相结合的技术路线，首先通过酸处理对MWCNTs进行纯化，然后分别制备了ZnO纳米盘、CeO₂纳米颗粒、MWCNTs/ZnO二元复合材料、ZnO/CeO₂二元复合材料，以及不同MWCNTs含量的三元复合材料（T1、T2、T3）。最后，通过将最优的三元复合材料T3负载于商业沸石Y（CBV400）上，制备得到沸石增强的TZ复合材料。利用X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、光致发光光谱（PL）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对材料的结构和光学性质进行了系统表征。

3.1 合成光催化剂的表征

XRD分析证实所有材料均成功合成，且具有纳米级晶体尺寸（11.12-22.77 nm）。通过Scherrer公式计算表明，T3和TZ的晶体尺寸分别为21.64 nm和20.77 nm，处于理想的光催化活性尺寸范围。

UV-Vis光谱显示，单一ZnO和CeO₂的带隙分别为3.21 eV和2.34 eV，而三元复合材料T3的带隙降至2.85 eV，沸石负载的TZ复合材料进一步降至2.70 eV，表明可见光吸收能力显著增强。

PL光谱分析表明，TZ复合材料具有最低的光致发光强度，说明其光生电子-空穴对复合率最低，有利于提高光催化效率。

SEM图像显示了复合材料的路状、立方状和纳米片状结构，分别对应ZnO、CeO₂和MWCNTs的形貌特征。

3.3 光催化降解活性

在可见光照射下，TZ复合材料对MB的降解效率达到93.71%，显著高于单一组分和其他复合材料。对埃塞俄比亚Bahir Dar纺织工业实际废水的降解效率也达到76.75%，证明了其在实际应用中的潜力。

3.4 合成光催化剂的光催化稳定性

经过四次循环使用后，TZ复合材料仍保持73.22%的降解效率，仅下降20.8%，表现出良好的稳定性。

3.5 自由基清除研究

通过添加不同的自由基清除剂，研究发现超氧自由基（·O₂^-）是降解过程中的主要活性物种，而空穴（h⁺）和羟基自由基（·OH）的贡献相对较小。

研究还提出了TZ复合材料的光催化机制：在可见光照射下，CeO₂作为光敏剂吸收光子产生电子-空穴对，电子转移至MWCNTs，空穴留在CeO₂的价带。MWCNTs作为电子受体促进电荷分离，沸石的高比表面积和吸附能力进一步富集污染物分子，从而提高降解效率。

该研究成功开发出一种高效的沸石增强MWCNTs/ZnO/CeO₂纳米复合材料，通过多元组分的协同效应显著提高了光催化性能。材料表现出优异的可见光响应特性、高降解效率和良好稳定性，在实际工业废水处理中展现出应用潜力。研究结果为设计高效稳定的光催化剂提供了新思路，对推动半导体光催化技术在环境修复领域的应用具有重要意义。