铜掺杂ZnO:CdO纳米复合材料作为高效纳米结构光催化剂的研究

为解决工业染料污染水体的问题，研究人员通过溶胶-凝胶共沉淀法合成Cu掺杂ZnO/CdO纳米结构（0-1 at.% Cu），系统研究了其对亚甲基蓝（MB）的可见光催化降解性能。表征显示ZC3样品（0.75% Cu）具有纳米棒状形貌和99.10%的最高降解率，XRD证实其纤锌矿结构，BET分析揭示高比表面积。该研究为开发高效太阳能驱动水净化材料提供了新策略。

　　

随着工业废水排放加剧，有机染料污染已成为全球性环境危机。其中亚甲基蓝（MB）因其致癌性和难降解特性，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。传统水处理方法存在成本高、二次污染等问题，而基于半导体光催化的高级氧化工艺（AOPs）因其利用太阳能降解污染物的特性备受关注。然而，单一半导体如ZnO（3.37 eV带隙）仅响应紫外线，CdO（2.2-2.5 eV带隙）虽可吸收可见光但电荷分离效率低，制约了实际应用效率。

为解决这一技术瓶颈，研究人员通过溶胶-凝胶共沉淀法制备了系列Cu掺杂ZnO:CdO纳米复合材料（ZC0-ZC4，Cu含量0-1 at.%）。X射线衍射（XRD）证实材料具有纤锌矿结构，场发射扫描电镜（FE-SEM）显示ZC3形成独特的纳米棒状形貌。紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测得带隙在3.10-3.22 eV范围内可调，X射线光电子能谱（XPS）证实Cu成功掺入晶格。比表面积分析（BET）显示材料具有多孔结构，为污染物吸附提供丰富活性位点。

在材料表征部分，XRD图谱显示所有样品均呈现ZnO（JCPDS 36-1451）和CdO（JCPDS 05-0640）的特征衍射峰，Cu掺杂未改变晶体结构但引起晶格畸变。FTIR光谱在400-700 cm^-1
范围内出现Zn-O和Cd-O键振动峰。FE-SEM图像揭示随着Cu含量增加，材料形貌从颗粒状逐渐转变为ZC3的规整纳米棒结构，这种形貌演变显著增大了活性表面积。

光催化性能测试显示，在自然 sunlight照射下，ZC3样品对MB的降解率高达99.10%，远超未掺杂样品（79.22%）。机理研究表明，Cu掺杂在ZnO:CdO界面形成电子陷阱，有效抑制光生电子-空穴对复合。当可见光激发时，电子从价带跃迁至导带，产生的空穴（h⁺
）与表面羟基反应生成强氧化性的羟基自由基（·OH），同时导带电子被O₂
捕获形成超氧自由基（·O₂
^-
），这些活性物质共同实现MB分子的矿化降解。

研究结论指出，适量Cu掺杂（0.75 at.%）通过以下协同效应提升光催化性能：（1）拓宽可见光吸收范围；（2）纳米棒结构增加反应位点；（3）金属-半导体界面促进电荷分离。该工作发表于《Journal of Molecular Structure》，为设计高效太阳能驱动环境修复材料提供了重要参考，尤其适用于发展中国家应对工业废水处理挑战。未来研究可进一步优化掺杂浓度并探索实际水体中的应用性能。