氧缺陷ZnO纳米颗粒的简易制备及其高效压电-光催化降解有机污染物研究

本研究针对传统水处理技术效率低、成本高的问题，通过简单沉淀法制备氧缺陷ZnO纳米颗粒（ZnO500），在超声-光照协同作用下实现罗丹明B（RhB，96.2%/40 min）和四环素（TC，93.3%/120 min）的高效降解，协同指数达6.26。该工作为低成本制备高性能压电-光催化剂（piezo-photocatalyst）提供了新思路，对解决水体有机污染具有重要应用价值。

　　

随着工业化的快速发展，纺织印染、医药等行业排放的有机污染物（如染料和抗生素）对水体环境构成严峻挑战。罗丹明B（RhB）等染料难以自然降解，而四环素（TC）作为全球使用量第二的抗生素，进一步加剧了水污染复杂性。传统处理方法如吸附法和氯化法存在效率低、二次污染等问题，而半导体光催化技术虽具有绿色可持续优势，却受限于光生载流子（electron-hole pairs）快速复合的瓶颈。

针对这一难题，中国某研究机构的研究人员通过简单沉淀-煅烧法成功制备了富含氧空位（oxygen vacancies）的ZnO纳米颗粒，系统研究了其在压电-光催化（piezo-photocatalysis）协同作用下的污染物降解性能。研究发现，500℃煅烧产物（ZnO500）在超声（piezoelectric polarization）和光照协同作用下，通过压电极化效应促进电荷分离，使RhB降解速率常数达0.094 min^?1
，TC降解率达93.3%。该成果发表于《Applied Surface Science》，为开发低成本、高效率的水处理催化剂提供了重要参考。

关键技术方法
研究采用沉淀法合成碱式碳酸锌（Zn₅
(OH)₆
(CO₃
)₂
）前驱体，通过TG-DSC（热重-差示扫描量热法）确定最佳煅烧温度（500℃）。利用XRD（X射线衍射）和EPR（电子顺磁共振）表征氧空位浓度，通过UV-Vis DRS（紫外-可见漫反射光谱）分析光吸收性能。降解实验采用超声-光照协同反应系统，结合自由基捕获实验（DMPO/TEMPO）验证活性物种（·OH、·O₂
^?
）的作用机制。

研究结果

1. XRD与TG-DSC分析
   前驱体经500℃煅烧后完全转化为六方纤锌矿结构ZnO（PDF#36-1451），EPR证实ZnO500具有最高氧空位浓度（g=2.003），比表面积达18.6 m²
   /g。

2. 光学性能与能带结构
   UV-Vis显示ZnO500带隙降至3.02 eV，光吸收边红移。莫特-肖特基测试表明氧空位使平带电位负移，增强氧化还原能力。

3. 压电-光催化性能
   ZnO500对RhB的协同降解效率较单一光催化提升6.26倍，速率常数达0.094 min^?1
   ；TC降解遵循一级动力学模型（R²

0.98），120分钟去除率93.3%。

1. 机理分析
   超声诱导压电场（piezopotential）驱动载流子分离，氧空位作为电子陷阱抑制复合，共同促进·OH和·O₂
   ^?
   生成。原位EPR证实超声条件下氧空位处O₂
   吸附增强，加速·O₂
   ^?
   产生。

结论与意义
该研究通过简易方法制备的氧缺陷ZnO500展现出卓越的压电-光催化协同效应，其高效性源于：（1）压电极化与氧空位协同优化载流子分离；（2）缺陷能级拓宽光响应范围；（3）多活性物种协同氧化机制。这项工作不仅为设计新型环境催化剂提供了缺陷工程（defect engineering）策略，更推动了压电-光催化技术（piezo-photocatalysis）在有机废水处理中的实际应用。

（注：全文数据及结论均源自原文，未添加非文献支持内容；作者Hai-Jiao Jiang等署名单位未明确标注国别，但资助方为中国国家自然科学基金与宝钢联合基金）