喷雾沉积的TiO2–CuO异质结构薄膜在利福平降解及太阳能电池应用中的研究

《ACS Omega》：Spray-Deposited TiO2–CuO Heterostructured Thin Films for Rifampicin Degradation and Solar Cell Application

光催化降解抗生素及太阳能电池应用。采用喷涂热解法合成TiO?–CuO异质薄膜，优化比例T50C50在3小时内实现99%的RMP降解效率，带隙工程使复合薄膜兼具可见光响应与电荷分离优势。模拟显示其作为吸层材料的光电转换效率达22.5%。

　　
本研究聚焦于TiO?–CuO异质结薄膜的合成及其在光催化降解抗生素和太阳能电池中的应用。首先，通过喷涂热解法制备了不同TiO?与CuO比例的异质结薄膜，重点考察了T50C50（1:1质量比）的催化性能与光电器学特性。实验采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电子能量损失谱（XPS）及紫外-可见-近红外光谱（UV-NIR）等多维度表征手段，系统分析了薄膜的晶体结构、形貌特征与光学性质。XRD结果显示纯TiO?在25.2°、37.7°和48.1°处呈现锐钛矿相特征峰，而CuO在32.4°、35.7°和38.8°处显示单斜晶系特征。异质结薄膜的晶粒尺寸随CuO比例增加呈现非线性变化，其中T50C50样品的晶粒尺寸达64纳米，缺陷密度最低（2.46×10?? nm?2），表明其具有最优的结晶质量和表面均匀性。

光学特性分析表明，纯TiO?的带隙为3.40 eV，仅能吸收紫外光；纯CuO带隙1.44 eV，在可见光区具备较强吸收能力。通过调控TiO?与CuO的比例，T50C50异质结薄膜实现了带隙工程（1.47 eV），其紫外-可见吸收光谱显示在可见光区（400-800 nm）的吸光度提升达300%，同时近红外区（800-2000 nm）透光率保持85%以上，这得益于异质结界面形成的内置电场效应。PL光谱检测到异质结薄膜在可见光区（425-497 nm）存在特征发光峰，证实了TiO?与CuO的电子跃迁耦合。

在光催化降解实验中，以抗生素利福平（RMP）为模型污染物，T50C50样品在自然光下3小时实现99%降解效率，远超纯TiO?（7%）、纯CuO（12%）及其他配比异质结（最高85%）。实验发现降解速率与催化剂负载量呈倒U型关系，20 mg催化剂用量时降解效率达峰值（99.3%）。pH值研究表明中性偏碱性环境（pH 9）最有利于反应，此时催化剂表面负电荷增强，RMP分子吸附量提升40%，活性位点反应速率提高2.3倍。自由基捕获实验显示，羟基自由基（•OH）和超氧自由基（O??）是主要降解中间产物，其中•OH贡献度达68%。

太阳能电池模拟采用Silvaco Atlas软件构建了FTO/ZnO/CdS/T50C50/Mo器件结构，通过优化能带排列，实现了22.5%的转换效率。关键参数包括：1.15 V的开路电压（较传统CIGS器件提升15%），32.66 mA/cm2的短路电流密度，以及80.26%的填充因子。能带结构分析显示异质结界面存在1.8 eV的能带势差，促进电子-空穴对的定向传输，同时CuO的导带电子向TiO?价带空穴转移效率达78%，显著优于纯TiO?（32%）和纯CuO（45%）。

研究创新性体现在两方面：首先，通过带隙工程实现了紫外-可见-近红外全光谱响应，异质结薄膜在AM 1.5G太阳光谱下的吸收率提升至92%；其次，构建了光催化-能源转换一体化器件模型，验证了异质结薄膜在光催化（>99%降解率）和光电器件（22.5%效率）双重应用场景的可行性。该工作为开发高效多功能纳米材料提供了新思路，特别是在环境治理和可再生能源领域的交叉应用方面具有显著潜力。