钇掺杂氧化锌/海藻酸盐-锂蒙脱石复合材料的绿色构建及其对偶氮染料的高效光催化降解

针对纺织废水中有毒偶氮染料的污染问题，研究人员开发了基于钇掺杂氧化锌(Y-doped ZnO)与海藻酸盐-锂蒙脱石(alginate-hectorite)基底的环保型纳米复合材料。通过调控Y掺杂浓度(2%-3%)，材料展现出26-34 nm晶粒尺寸、77.4 m2/g比表面积及3.236 eV窄带隙等特性，对直接蓝71(DB71)和活性黑5(RB5)的降解率分别达90%和79%，羟基自由基(·OH)被证实为主要活性物种。该研究为开发稳定可重复使用的废水处理光催化剂提供了新思路。

　　

纺织工业每年排放约3600吨含偶氮染料的废水，这些含有-N=N-结构的化合物具有强致癌性且难以生物降解，传统处理方法存在二次污染风险。针对这一环境难题，研究人员创新性地将稀土元素钇(Y)掺杂的氧化锌(ZnO)纳米颗粒负载于天然海藻酸盐-锂蒙脱石复合基底上，开发出兼具高催化活性和环境友好特性的新型光催化剂。

研究团队通过溶胶-凝胶法构建了不同Y掺杂浓度(2% ZAHY02和3% ZAHY03)的纳米复合材料，采用X射线衍射(XRD)证实材料具有典型纤锌矿结构，Y掺杂使晶粒尺寸从34 nm缩小至26 nm。傅里叶变换红外光谱(FTIR)揭示了ZnO与有机-无机基底间的强化学相互作用。扫描电镜(SEM)显示3% Y掺杂样品具有更均匀的纳米级分散形态。氮气吸附测试表明ZAHY02具有77.4 m²/g的高比表面积和0.179 cm³/g的孔容积。紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测得2% Y掺杂样品的带隙降至3.236 eV，显著提升了可见光捕获能力。光致发光光谱(PL)通过高斯拟合定量分析了锌空位(V_Zn)、氧空位(V_O)及电离氧空位(V_O⁺)等缺陷态浓度。

在120分钟紫外光照下，ZAHY02对直接蓝71(DB71)和活性黑5(RB5)的降解率分别突破90%和79%。自由基捕获实验证实羟基自由基(·OH)是主导降解的活性物种。材料经过三次循环使用后仍保持稳定活性，TEM观察显示循环后纳米颗粒仍牢固附着于基底。通过液相色谱-质谱联用(LC-MS)解析了染料的降解路径，发现偶氮键断裂和芳香环开环是主要反应步骤。

该研究首次将Y掺杂ZnO与生物聚合物-粘土矿物基底相结合，通过多尺度调控实现了：1）稀土掺杂缩小带隙增强光响应；2）海藻酸盐插层抑制粘土矿物堆叠；3）锂蒙脱石片层结构防止纳米颗粒团聚。这种"掺杂-载体"协同策略为设计高效稳定的环境修复材料提供了新范式，论文发表于《Applied Surface Science》。研究不仅解决了传统光催化剂回收困难、活性位点易失活等问题，更通过全生命周期绿色制备工艺，为工业废水处理提供了符合可持续发展理念的解决方案。