水热法在纤维素滤纸上生长ZnO纳米棒及其压电-光催化协同降解有机染料研究

针对有机染料废水处理难题，研究人员通过一锅水热法在纤维素滤纸上可控生长ZnO纳米棒，系统探究了种子层浓度（10-100 mM）对纳米棒形貌及压电-光催化性能的影响。结果表明，50 mM浓度下生长的ZnO因高结晶度与长径比展现出最佳光/压电催化活性，而10 mM样品在压电-光催化协同作用下机械稳定性更优。该研究为低成本、可降解环境催化材料设计提供了新思路。

　　

随着工业废水中有机染料污染问题日益严峻，传统处理方法如吸附和膜过滤存在效率低、成本高等局限。光催化技术虽能利用半导体材料（如ZnO）在光照下产生活性氧物种降解污染物，但普遍面临电荷复合率高、能量转化效率低的瓶颈。近年来，将压电效应与光催化结合的"压电-光催化"体系成为研究热点——机械应力诱导的压电场可驱动电荷分离，从而提升催化效率。然而现有ZnO基催化剂多依赖贵金属基底或复杂制备工艺，制约了其大规模应用。

泰国国王理工大学材料创新与技术学院的研究团队在《Materials Research Bulletin》发表论文，创新性地采用纤维素滤纸作为廉价可降解基底，通过一锅水热法直接生长ZnO纳米棒。研究通过调控锌前驱体浓度（10/50/100 mM），系统考察了种子层对ZnO形貌、结晶特性及催化性能的影响。实验发现，50 mM样品因沿c轴方向的高结晶度和长径比，在单独光催化或压电催化中表现最优；而10 mM样品因短纳米棒结构赋予的更大比表面积和机械稳定性，在光-声协同作用下展现出最佳的压电-光催化协同效应。该工作不仅为环境友好型催化材料设计提供了新范式，其简易的制备工艺更具备工业化应用潜力。

关键技术方法包括：1）种子辅助水热法（无需煅烧）在Whatman No.1滤纸上生长ZnO纳米棒；2）X射线衍射（XRD）和场发射扫描电镜（FE-SEM）表征晶体结构与形貌；3）以罗丹明B（RhB）为模型污染物，在氙灯照射、超声处理及其组合条件下评估催化性能。

Synthesis of ZnO nanorods on filter paper substrate
通过控制醋酸锌浓度（10-100 mM）在滤纸上制备种子层，经150℃热处理后，采用硝酸锌/六亚甲基四胺混合溶液进行水热生长。该方法避免了传统工艺中煅烧步骤，实现了ZnO纳米棒在纤维素纤维表面的直接锚定。

Results and discussion
FE-SEM显示种子浓度显著影响纳米棒形貌：低浓度（10 mM）形成短而稀疏的纳米棒，50 mM时获得高长径比六方柱状结构，100 mM则因过度生长导致团聚。XRD证实所有样品均具有纤锌矿结构（wurtzite），其中50 mM样品显示最强的（002）晶面衍射峰，表明沿c轴择优生长。催化测试表明：50 mM样品在单独光催化（氙灯）或压电催化（超声）中RhB降解率最高，归因于其优异的载流子分离能力；而10 mM样品在光-声协同条件下表现突出，因其更大的比表面积和应力适应性有效抑制了电荷复合。

Conclusions
研究证实种子层浓度通过调控ZnO纳米棒尺寸和结晶取向，可定向优化其光催化或压电-光催化性能。50 mM样品凭借高结晶度成为理想的光/压电单模式催化剂，而10 mM样品则更适合协同催化场景。该成果的创新性体现在：1）开发了免煅烧、可规模化的纤维素基催化剂制备工艺；2）阐明了形貌-性能关系，为多功能催化剂设计提供理论依据；3）推动生物质材料在环境修复中的应用。

讨论
相比传统贵金属基底，纤维素滤纸不仅降低成本，其柔性特质更利于压电响应。但研究也揭示浓度过高（100 mM）会导致纳米棒团聚，提示需精确控制生长动力学。未来研究可探索其他生物模板或掺杂策略，进一步拓展材料在可见光区的响应范围。这项工作由Maneerat Songpanit等学者完成，获得KMITL研究创新服务基金支持，相关技术已申请专利保护。