表面缺陷调控提升锆硅沸石可见光催化性能：机制解析与环境应用

本研究针对传统光催化剂依赖紫外光及电荷复合率高的问题，通过NaBH4 煅烧还原法在ZS-1沸石中引入氧空位(Ov)和三价锆(Zr3+ )缺陷，成功开发出可见光响应的R-0.4沸石催化剂。该材料30分钟内对亚甲基蓝(MB)降解率达98.15%，四环素(TC)降解效率提升9倍，通过UV-vis DRS、EPR等技术揭示了缺陷能级调控带隙的机制，为高效水污染治理提供了新策略。

　　

随着全球水污染问题日益严峻，传统有机污染物亚甲基蓝(MB)和新兴污染物四环素(TC)对生态系统和人类健康的威胁备受关注。虽然光催化技术因高效环保成为研究热点，但传统TiO₂
等催化剂存在紫外光依赖、可见光利用率低等瓶颈。与此同时，具有MFI结构的锆硅沸石(ZS-1)虽展现优异催化潜力，但其光响应范围仍局限在紫外区。如何通过材料改性拓展其可见光活性，成为环境催化领域亟待解决的难题。

来自西安工程大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究中，创新性地采用铝箔密封辅助的NaBH₄
还原法，在ZS-1沸石中精准构建氧空位(Ov)和Zr³⁺
缺陷，成功开发出可见光驱动的R-0.4沸石催化剂。该材料不仅实现MB的快速降解（30分钟98.15%），对TC的降解效率更是原始样品的9倍以上，为同时处理传统与新兴污染物提供了创新方案。

研究团队运用X射线光电子能谱(XPS)、电子顺磁共振(EPR)证实了Ov和Zr³⁺
的存在，通过紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)发现缺陷能级使带隙从4.01 eV降至2.76 eV。光电化学测试显示缺陷位点显著提升电荷分离效率，捕获实验鉴定出•OH、h⁺
和•O₂
^-
为关键活性物种。液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)技术进一步解析了MB的降解路径。

Phase and structure characterization
XRD分析显示所有样品均保持MFI拓扑结构，Rietveld精修证实还原处理未破坏晶体框架。XPS谱图中Zr 3d轨道结合能位移证实Zr³⁺
生成，EPR信号强度与Ov浓度呈正相关。氮吸附测试显示介孔结构保留，比表面积达387 m²
/g。

Conclusions
该研究开创性地将表面缺陷工程应用于沸石催化剂设计，阐明Ov和Zr³⁺
通过形成缺陷能级缩小带隙、促进电荷分离的双重作用机制。R-0.4沸石在无需惰性气体保护的简易制备条件下，同时实现传统染料和抗生素的高效降解，其能量利用率较传统方法提升80%以上。这项工作不仅为沸石基可见光催化剂开发提供新范式，更对实现联合国可持续发展目标中"清洁饮水和卫生设施"目标具有重要实践意义。

研究突破性地证明：表面缺陷工程可有效调控沸石电子结构，使其从紫外光响应拓展至可见光区；铝箔密封的NaBH₄
还原法相比传统氢还原能耗降低60%；MB降解过程中首先生成亚甲基蓝阳离子自由基(MB^•+
)，随后通过脱甲基和开环反应彻底矿化。这些发现为开发低成本、高效率的环境修复材料提供了理论依据和技术支撑。