多孔泡沫镍负载ZnO/Ag2S异质纳米线阵列的压电-光催化协同增效机制及其环境修复应用

针对半导体光催化剂电荷复合快、效率低的问题，厦门大学团队通过构建多孔泡沫镍负载ZnO/Ag2S异质纳米线阵列（NZA），利用流体涡旋诱导压电场实现压电-光催化协同增效。实验表明，300 rpm搅拌下光电流密度提升至1.35 mA/cm2，罗丹明B降解率达96.6%，自由基数量显著增加，为环境修复提供了高效稳定的解决方案。

　　

随着工业废水中有机污染物（尤其是染料）的持续增加，传统水处理技术如吸附、膜过滤等面临二次污染、高能耗等瓶颈。半导体光催化技术虽具绿色潜力，但受限于光生电荷快速复合及窄光谱响应。压电材料在机械应力下产生电势的特性，为解决这一难题提供了新思路。厦门大学研究人员在《Surfaces and Interfaces》发表研究，通过在多孔泡沫镍（NF）上构建ZnO/Ag₂S异质纳米线阵列（NZA），首次将流体涡旋机械能转化为压电场，显著提升了光催化效率。

研究采用原子层沉积（ALD）、水热生长和连续离子层吸附反应（SILAR）技术制备NZA材料，结合扫描电镜（SEM）、光致发光（PL）谱和电子自旋共振（ESR）等技术表征性能。通过COMSOL模拟和第一性原理计算揭示了压电场对能带排列的调控机制。

催化剂表征
SEM显示NF的三维多孔结构（孔径100-600 μm）为纳米线生长提供了理想基底。X射线衍射（XRD）证实ZnO/Ag₂S异质结的成功构建，紫外-可见漫反射光谱显示其光吸收边扩展至可见光区。

压电-光催化协同效应
流体涡旋（300 rpm）使PL强度降低22%，表明压电场有效抑制了电荷复合。光电流密度从1.10提升至1.35 mA/cm²，罗丹明B（RhB）降解率从58.6%跃升至96.6%。ESR检测到·O₂^?和·OH自由基数量倍增，证实压电场促进了活性氧物种生成。

理论分析
第一性原理计算表明，ZnO/Ag₂S界面压电势可达0.35 eV，驱动光生电子从Ag₂S向ZnO迁移。COMSOL模拟显示流体涡旋在NF骨架产生局部应变梯度，形成持续压电场。

该研究创新性地将机械能-电能-化学能转换耦合，为复杂水体净化提供了可规模化应用的解决方案。NF基底的机械稳定性使催化剂在长期涡旋条件下保持结构完整，其“零二次污染”特性符合绿色化学理念。研究不仅深化了对压电-光催化协同机制的理解，也为设计新型环境功能材料提供了范式。