Cd-Mn双掺杂ZnO纳米结构在太阳能驱动染料降解与制氢中的应用研究

针对水体有机染料污染治理难题，研究人员通过水热法合成Cd-Mn双掺杂ZnO纳米颗粒（NPs），优化后的Cd0.04 Mn0.04 Zn0.92 O在80分钟内实现染料混合物（RhB+MB）完全光降解，制氢速率达15.3 mmol·g-1 ·h-1 。该材料凭借高缺陷浓度、增强的光吸收与电荷分离效率，为太阳能驱动的环境修复与清洁能源生产提供了高效解决方案。

　　

随着工业发展，染料废水污染已成为全球性环境危机，约17%-20%的水体污染源自纺织印染行业。传统处理方法难以高效降解有机染料，而半导体光催化技术因其绿色、可持续特性备受关注。氧化锌（ZnO）因其宽带隙（3.37 eV）和高激子结合能（60 meV）被视为理想光催化剂，但其可见光吸收能力弱、载流子复合率高的缺陷限制了应用。为突破这一瓶颈，沙特水务局资助的研究团队通过过渡金属共掺杂策略，开发出具有双重功能的Cd-Mn-ZnO纳米材料，相关成果发表于《Optical Materials》。

研究采用水热法合成系列Cd-Mn共掺杂ZnO NPs，通过X射线衍射（XRD）确认六方纤锌矿单相结构，扫描电镜（SEM）显示19 nm分级球形形貌。光致发光光谱（PL）在420-450 nm处出现缺陷带，证实掺杂成功引入能级陷阱。优化的Cd_0.04
Mn_0.04
Zn_0.92
O样品比表面积达14.8 nm孔径，动力学常数提升至0.04987 min^-1
。

研究结果

1. 结晶性研究：XRD显示所有样品保持六方相，掺杂后衍射峰强度降低且半高宽增加，表明Cd²⁺
   和Mn²⁺
   取代Zn²⁺
   位点引起晶格畸变。
2. 形貌与光学特性：SEM证实掺杂样品形成分级多孔结构，PL光谱中缺陷相关发射增强，可见光吸收边红移证实带隙调控至2.8 eV。
3. 光催化性能：太阳光照射下，Cd_0.04
   Mn_0.04
   Zn_0.92
   O对RhB+MB的降解率达98%，循环6次后活性保持90%以上，制氢量较纯ZnO提升3倍。

结论与意义
Cd-Mn双掺杂通过形成杂质能级（defect levels）和氧空位（oxygen vacancies），协同促进载流子分离与羟基自由基（·OH）生成。该研究不仅为废水处理提供高效催化剂，其15.3 mmol·g^-1
·h^-1
的制氢性能更拓展了太阳能转化路径。Muhammad Tahir等学者开发的这一材料体系，实现了环境修复与能源生产的双重突破，为"双碳"目标下的绿色技术发展提供了新思路。