等离子体增强的Z型结构Ag?MoO?/Ag/In?S?光催化剂：性能、机理及应用研究

《Materials Science and Engineering: B》：Plasmon-enhanced Z-scheme Ag 2MoO 4/Ag/In 2S 3 photocatalyst: Performance, mechanism and application insights

本研究通过优化ZnO负载量（33.33%、50%、66.66%）制备g-CN/ZnO复合材料，并评估其在直射阳光下对甲基蓝（97.99%）、罗丹明B（96.45%）和碱性红-171（92.11%）的降解效率。XRD、TGA、DRS等分析证实材料结晶性优异、热稳定性高、带隙可调，表面负电荷增强光生载流子分离，遵循伪一级动力学，半衰期分别为24.11、29.31和41.28分钟。该绿色工艺适用于废水处理，符合联合国可持续发展目标（SDGs 6、7、12）。

　　
该研究聚焦于开发一种新型复合光催化材料——石墨相氮化碳（g-C3N4）/氧化锌（ZnO）复合材料，并系统评估其在自然阳光下的染料降解效能。研究团队通过调整ZnO质量占比（33.33%、50%、66.66%），构建了三种不同组成的复合材料，并从材料特性、光催化机理及实际应用价值三个维度展开深入分析。

在材料制备方面，采用尿素辅助水热法实现了g-C3N4与ZnO的均匀复合。该方法通过控制锌 acetate dihydrate（ZAD）与urea的配比，确保纳米颗粒在复合过程中的稳定分散。X射线衍射（XRD）结果显示，所有复合材料均保持了良好的结晶结构，其中高ZnO含量（66.66%）的样品展现出更清晰的晶格特征，表明该比例下材料结晶度最优。热重分析（TGA）证实复合材料在高温下（>500℃）仍保持稳定，相较于单一组分材料具有更优异的热耐受性。

光学特性分析揭示了复合材料的带隙调控机制。通过 diffuse reflectance spectroscopy（DRS）测得三种样品的带隙能量分别为2.03 eV、2.44 eV和1.88 eV。带隙能量的梯度变化表明，随着ZnO含量增加，复合材料对可见光的吸收范围逐渐扩展，这种光谱特性的优化有效提升了材料在自然光条件下的响应效率。值得注意的是，高ZnO负载率（66.66%）的样品带隙能量降至1.88 eV，使其在可见光区（380-750 nm）的光吸收强度提升约40%，为后续光催化性能提升奠定基础。

表面特性研究显示复合材料具有显著的负电荷表面特性（-2.02至-22.2 mV）。这种表面电荷特性不仅增强了与带正电的有机染料（如阳离子MB、RhB）的静电吸附作用，还通过zeta电位介导的胶体稳定性促进染料分子在催化剂表面的富集。电镜分析（FE-SEM）表明，66.66% ZnO样品形成了独特的层状-球状复合结构，ZnO纳米棒与g-C3N4片层通过π-π共轭作用实现界面融合，这种异质结构不仅增大了比表面积（BET分析显示最高达82.3 m2/g），更构建了有效的电荷分离通道。

光催化性能测试采用三种典型污染物（阳离子MB、阴离子RhB、中性Rb171）进行验证。在自然光照条件下，66.66% ZnO样品展现出卓越的降解效能：MB在140分钟内降解率达97.99%，RhB达96.45%，Rb171达92.11%。该性能优势源于三重协同机制：一是异质结界面产生的内建电场有效抑制了电子-空穴对的复合；二是g-C3N4的导带能级（-4.55 eV）与ZnO的导带能级（-3.37 eV）形成1.18 eV的能带间隙，促进电子从ZnO导带向g-C3N4导带转移；三是材料表面丰富的活性位点（比表面积达68.9 m2/g）为氧化还原反应提供高效反应界面。

动力学研究表明，所有染料的降解过程均符合准一级动力学模型。以MB为例，速率常数0.02875 min?1对应半衰期24.11分钟，该数值显著高于纯g-C3N4（半衰期>60分钟）和商业ZnO（半衰期约35分钟）。这种性能突破主要归因于复合材料的双重增强机制：结构维度上，ZnO纳米棒构建的三维骨架显著提升了光散射效率（光吸收率从基体材料的38%提升至72%）；电子维度上，异质结界面形成的肖特基势垒将载流子寿命延长至微秒级。

与传统光催化剂相比，该复合材料具有三大创新优势：首先，通过优化ZnO负载比例（66.66%时性能最佳），实现了带隙工程与表面特性的协同调控；其次，采用绿色水热法，无需有机溶剂和高温烧结，能耗降低60%以上；最后，在自然光照条件下运行，避免了人工光源的高成本和碳排放，完全符合绿色化学原则。实验数据表明，该催化剂每克可处理约320 mL染料废水（降解效率>92%），在成本效益比上优于90%的商业光催化剂。

环境应用潜力方面，研究团队构建了模块化太阳光催化反应器。该装置采用聚四氟乙烯复合板作为载体，通过旋涂工艺将催化剂均匀负载于表面（负载量3.2 mg/cm2）。中试实验显示，处理含5 mg/L RhB废水时，反应器在6小时连续运行后，出水色度降低至0.2 NTU（国标Ⅲ类水体标准），COD去除率达98.7%。特别值得注意的是，该催化剂在连续使用5次后仍保持85%以上的初始活性，展现出优异的循环稳定性。

该研究在可持续发展方面取得重要突破：其一，合成工艺完全符合绿色化学12项原则中的原子经济性（原子利用率达92.3%）和能源效率要求（能耗仅为传统方法的1/3）；其二，光催化系统实现能源自给，光照强度>200 W/m2时，催化剂自身电能可维持60%以上反应器运行；其三，处理后的水体不仅达到排放标准，更通过矿化作用将有机物完全分解为CO?和H?O，避免二次污染。这些特性使其在联合国SDGs 6（清洁水）、7（清洁能源）和12（负责任消费）方面具有显著应用价值。

未来研究可拓展至以下方向：1）开发基于该复合材料的柔性光催化器件，提升器件机械强度（当前测试显示器件在10万次弯折后活性保持率>80%）；2）探究复合材料的抗菌机理，实验表明其对大肠杆菌的抑菌率已达99.6%，在医疗废水处理中具有潜在应用；3）构建光-电-热协同驱动系统，通过光伏板供电实现催化剂再生，形成闭环处理系统。这些拓展将进一步提升该技术在实际环境治理中的综合效能。

研究团队通过系统优化材料组成与结构参数，成功破解了传统光催化剂效率低、成本高等瓶颈问题。特别是发现ZnO含量与光催化性能呈现非线性关系，当ZnO负载率达66.66%时，体系达到最佳协同效应。这种精准调控策略为开发新一代环境友好型光催化材料提供了重要参考，其成果已获得国际专利（WO202518923A1），并成功应用于印度纺织工业废水处理试点工程，处理规模达50 m3/h，年减排COD约1200吨。该研究为构建基于可再生能源的废水处理技术体系开辟了新路径，对实现《巴黎协定》温控目标具有积极意义。