Sn,Fe共掺杂ZnO复合材料的结构设计及其光催化活性增强机制研究

本研究针对环境净化领域高效光催化剂开发需求，通过聚合物溶胶-凝胶法设计合成Sn,Fe共掺杂ZnO复合材料，系统比较了均匀掺杂与核壳结构(ZnO/SnO2-Fe2O3)两种形貌材料的缺陷形成机制与光催化性能。研究发现核壳结构材料虽具有更高染料(Chicago Sky Blue)吸附率，但均匀掺杂样品展现出更优异的光催化降解效率，为缺陷工程优化光催化剂性能提供了新见解。

　　

随着全球环境污染问题日益严峻，开发高效光催化材料成为解决水净化、太阳能转化等问题的关键。传统宽禁带半导体如ZnO（~3.37 eV）虽具有良好化学稳定性，但其可见光响应能力有限。近期研究表明，通过金属掺杂（Sn,Fe等）和形貌调控可有效引入结构缺陷，改变材料电子结构，从而提升光催化性能。然而，不同结构设计中缺陷形成机制与光催化活性的构效关系尚不明确。

为解决这一科学问题，研究人员采用聚合物溶胶-凝胶法（polymeric sol-gel method）制备了四种ZnO基材料：纯ZnO（样品1）、Sn掺杂ZnO（样品2）、Sn,Fe共掺杂ZnO（样品3）以及核壳结构ZnO/SnO₂-Fe₂O₃（样品4）。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、光致发光光谱（PL）和拉曼光谱等多维度表征手段，结合芝加哥天蓝染料（Chicago Sky Blue）的吸附与光降解实验，系统研究了材料结构-性能关系。

材料与方法
研究采用金属盐与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）水溶液形成前驱体凝胶，经550℃煅烧2小时获得目标材料。通过XRD计算晶体尺寸，SEM观察形貌特征，PL光谱分析缺陷类型，拉曼光谱检测晶格振动模式。光催化实验采用300W汞灯模拟太阳光，通过紫外-可见光谱监测染料降解动力学。

晶体结构与形貌
XRD显示所有样品均保持ZnO六方晶系结构，核壳结构样品中检测到SnO₂、α-Fe₂O₃和Fe₃O₄特征峰。均匀掺杂样品（3）的ZnO晶粒尺寸（70nm）显著大于核壳样品（44nm），后者表面SnO₂/Fe₂O₃壳层厚度约15-20nm。SEM证实核壳结构成功构建，表面粗糙度增加有利于染料吸附。

缺陷特征与光学性质
PL光谱发现Sn,Fe掺杂显著增强可见光区发射峰（450-650nm），对应氧空位（V_O）和锌间隙（Zn_i）缺陷。拉曼光谱显示核壳样品出现ZnO特征峰红移（从437cm^-1降至430cm^-1），表明晶格应力增大。均匀掺杂样品缺陷浓度更高，特别是单电离氧空位（V_O⁺）含量较核壳样品提升2.3倍。

吸附与光催化性能
核壳结构样品染料吸附量（78%）远超均匀掺杂样品（42%），这归因于其更大比表面积和表面电荷特性。然而光催化降解实验显示相反趋势：均匀掺杂样品60分钟降解率达92%，核壳样品仅65%。动力学分析表明降解过程符合伪一级模型，均匀掺杂样品的速率常数（0.034min^-1）是核壳样品（0.011min^-1）的3倍。

结论与意义
该研究揭示Sn,Fe共掺杂ZnO中缺陷类型与光催化活性的内在关联：均匀掺杂促进形成高浓度氧空位缺陷，窄化带隙并增强可见光吸收；而核壳结构虽提高吸附能力，但界面复合中心抑制光生载流子分离。成果发表于《Materials Science and Engineering: B》，为设计高效ZnO基光催化剂提供了重要理论指导——通过精确调控掺杂策略优化缺陷结构，比单纯追求高比表面积更能有效提升光催化性能。

（注：全文数据均来自原文，作者包括L.L. Khomutinnikova、M.A. Gavrilova等，技术方法描述已按要求简化，专业术语首次出现时均标注英文缩写，上下标格式严格遵循原文表示。）