La3+ 掺杂调控ZnO性能：提升光电流与污染物降解效率的优化策略

针对宽禁带半导体ZnO可见光利用率低和载流子复合率高的问题，研究人员通过La3+ 掺杂（2%-6%）进行缺陷工程调控，采用共沉淀法合成纳米材料。XRD和UV-Vis等表征显示2%掺杂样品带隙降至2.93eV，光电流密度达0.36mA，太阳光下90分钟实现90%甲基蓝降解。该研究为环境修复与能源采集提供了新型高效催化剂。

　　

随着工业废水中有机染料污染日益严重，开发高效、稳定的光催化剂成为环境科学领域的重要挑战。甲基蓝等染料不仅威胁水生生态系统，还会引发人类皮肤炎症和消化道疾病。传统半导体材料如ZnO虽具有成本低、无毒等优势，但其宽禁带（3.12eV）特性导致可见光利用率不足，且快速电子-空穴复合制约了催化效率。近期研究表明，稀土元素掺杂可通过诱导氧空位（oxygen vacancies）和晶格畸变来改善这些缺陷，其中镧（La）因其特殊的4f⁰
电子构型和大离子半径成为理想选择。

为探究La掺杂对ZnO性能的调控机制，来自Sadakathullah Appa College的研究团队在《Micro and Nanostructures》发表论文，通过化学共沉淀法合成不同浓度La³⁺
掺杂（0%-6%）的ZnO纳米颗粒，系统研究了其结构-性能关系。研究发现2% La掺杂样品展现出最优异的综合性能：带隙降至2.93eV，光电流密度提升至0.36mA，且在自然阳光下90分钟内实现90%甲基蓝降解率。这项工作不仅阐明了稀土掺杂对半导体性能的调控规律，更为设计高效环境功能材料提供了理论依据。

关键技术方法包括：X射线衍射（XRD）分析晶体结构，紫外-可见光谱（UV-Vis）测定带隙，光致发光光谱（PL）评估载流子复合，扫描电镜（SEM）观察形貌，振动样品磁强计（VSM）检测磁性，以及电化学阻抗谱（EIS）分析电荷传输性能。光催化实验在自然阳光照射下进行，以甲基蓝为目标污染物。

【Material preparation】
采用共沉淀法，以醋酸锌和硝酸镧为前驱体，通过精确控制pH值合成系列La掺杂ZnO纳米颗粒。

【X-ray diffraction】
Rietveld精修证实所有样品均保持六方纤锌矿结构。La³⁺
的引入导致晶格参数增大（c轴从5.21?增至5.25?），并产生微应变（0.89×10^-3
至2.36×10^-3
），这与La³⁺
（1.16?）替代Zn²⁺
（0.74?）引起的晶格畸变相关。

【Optical analysis】
UV-Vis显示2%掺杂样品带隙显著减小（2.93eV），归因于La诱导的缺陷能级形成。PL光谱淬灭现象表明高掺杂浓度（>4%）会引入非辐射复合中心。

【Electrochemical studies】
2%样品电荷转移电阻（R_ct
）最低（148Ω），对应最高的光电流密度（0.36mA），证实适量氧空位可促进载流子分离。

【Photocatalytic testing】
自然光照射下，2% La-ZnO的降解动力学常数（0.023 min^-1
）是纯ZnO的2.3倍，四次循环后仍保持85%活性，展现优异稳定性。

结论表明，2% La掺杂通过优化氧空位浓度，在带隙窄化、电荷分离和表面活性位点三者间取得平衡。该工作创新性地证明：La³⁺
的4f⁰
构型可避免磁性干扰，其大离子半径引发的晶格应变能有效调控电子结构。这些发现为开发"缺陷工程-性能调控"协同优化的新型光催化剂提供了重要参考，在污水处理和太阳能转换领域具有广阔应用前景。