纳米秒脉冲激光合成ZnO2 /CuO/ZnO纳米复合材料及其在4-硝基酚还原中的高效催化性能研究

本研究针对工业废水中有毒污染物4-硝基酚（4-NP）的高效降解需求，通过纳米秒脉冲激光烧蚀技术创新性合成ZnO2 /CuO/ZnO纳米复合材料。研究发现，该复合材料在NaBH4 介导的4-NP还原反应中展现出优于单一组分（ZnO、CuO）及二元复合物（ZnO2 /CuO）的催化活性，为环境修复提供了低成本、高性能的新型催化剂解决方案。

　　

在纺织、印染等工业领域，4-硝基酚（4-NP）作为典型的有毒有机污染物，其难以降解的特性对生态环境构成严峻挑战。传统贵金属催化剂（如Au、Pt）虽能有效催化4-NP还原为4-氨基酚（4-AP），但高昂成本制约其大规模应用。近年来，过渡金属氧化物（如CuO、ZnO）因其低成本和高催化潜力备受关注，但其单一组分效率有限。如何通过材料设计突破性能瓶颈，成为环境催化领域的关键科学问题。

为此，沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）的研究团队独辟蹊径，利用纳米秒脉冲激光烧蚀技术，首次构建了三元ZnO₂
/CuO/ZnO纳米复合材料。该研究通过精确调控ZnO含量（5 mg优化值）和200°C后退火工艺，成功实现材料表界面特性的协同优化。实验表明，该复合材料在NaBH₄
还原体系中，4-NP转化率较二元复合物提升40%，反应速率常数达0.246 min^-1
，且循环稳定性优异。相关成果发表于《Materials Science and Engineering: B》，为绿色催化技术开发提供新范式。

关键技术方法
研究采用脉冲激光烧蚀法在5% H₂
O₂
溶液中制备ZnO₂
/CuO前驱体，经200°C空气退火获得最终复合材料。通过X射线衍射（XRD）分析晶相结构，紫外-可见光谱（UV-Vis）监测4-NP转化动力学，场发射扫描电镜（FESEM）表征形貌特征，X射线光电子能谱（XPS）验证元素化学态。

研究结果

1. XRD分析：ZnO₂
   /CuO/ZnO复合材料同时保留ZnO六方纤锌矿结构（2θ=31.9°、34.5°）和CuO单斜相特征峰（2θ=35.5°、38.7°），未出现杂相，表明激光烧蚀未破坏晶体完整性。
2. 形貌调控：FESEM显示ZnO纳米棒（直径50-80 nm）与CuO纳米管（壁厚约15 nm）形成交错网络结构，后退火过程促使ZnO₂
   纳米颗粒（粒径~20 nm）均匀锚定于异质界面。
3. 催化性能：在0.75 mg催化剂用量下，4-NP在8分钟内完全转化，表观速率常数较纯ZnO提高3.2倍。机理分析表明，ZnO₂
   的强氧化性与CuO的p型半导体特性协同促进电子转移，而ZnO基质有效抑制活性组分团聚。

结论与意义
该研究开创性地将脉冲激光技术应用于ZnO₂
/CuO/ZnO纳米复合催化剂的制备，通过精确调控异质界面工程，实现4-NP还原效率的显著提升。其重要意义在于：① 证实非贵金属复合材料可媲美传统催化剂性能；② 为工业废水处理提供可规模化生产的解决方案；③ 拓展了激光烧蚀技术在环境材料合成中的应用边界。未来研究可进一步探索该材料在多重污染物协同降解中的潜力。