ZnO@TiO2纳米复合材料的构建及其光催化降解染料的性能与机制研究

本研究针对水体有机污染物降解效率低的问题，通过水热法结合球磨技术构建ZnO@TiO2异质结纳米复合材料，系统探究其光催化降解罗丹明B（RhB）和玫瑰红（RB）的性能。结果表明，复合材料的电荷分离效率显著提升，活性氧物种（ROS）协同作用机制被揭示，为环境修复提供了高效低成本的新型光催化剂。

　　

随着工业废水排放加剧，有机染料污染已成为全球性环境问题。传统处理方法存在效率低、成本高等缺陷，而半导体光催化技术因其绿色高效特性备受关注。然而，单一半导体如TiO₂或ZnO存在光生电荷复合率高、仅响应紫外光等瓶颈。如何通过材料设计提升光催化效率，成为环境催化领域的研究热点。

Taif University的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表论文，创新性地采用溶剂调控水热法合成多形貌ZnO纳米颗粒，并通过简易球磨工艺将其与商用TiO₂(P25)复合，构建了系列ZnO@TiO₂异质结光催化剂。研究发现，以三甘醇（TREG）为溶剂制备的ZnO呈现最优结晶性，与TiO₂以1:1比例复合时，对RhB和RB的降解率分别提升40%和35%。机理研究表明，异质结界面形成的II型能带结构促进了e^-/h⁺空间分离，而·OH和O₂^•-的协同作用主导了染料分子降解。该工作为开发高效环境修复材料提供了新思路。

关键技术方法包括：1）水热法调控溶剂（水/乙二醇/三甘醇）合成ZnO纳米颗粒；2）球磨法制备不同比例ZnO@TiO₂复合材料；3）X射线衍射（XRD）和电子显微镜（SEM/TEM）表征材料结构；4）紫外-可见漫反射（DRS）测定光学性质；5）电化学测试分析电荷转移行为；6）自由基捕获实验验证活性物种作用机制。

【Structural and morphological properties】
XRD证实所有ZnO样品均呈六方纤锌矿结构（JCPDS 36-1451），TREG溶剂制备的样品结晶度最高。TEM显示复合材料中ZnO呈棒状结构（直径20-30 nm），与TiO₂颗粒形成紧密界面接触，球磨过程未破坏原始形貌。

【Optical and electronic properties】
DRS显示复合材料吸收边红移，带隙从纯ZnO的3.4 eV降至3.1 eV。莫特-肖特基测试表明ZnO/TiO₂异质结形成II型能带排列，促进光生电子向TiO₂导带迁移，空穴向ZnO价带转移。

【Photocatalytic performance】
在UV照射下，ZnO_TREG@TiO₂(1:1)对RhB的降解率在90分钟内达98%，速率常数是纯TiO₂的2.3倍。自由基淬灭实验证实h⁺和·OH是主要活性物种，而O₂^•-参与染料开环反应。

【Conclusion】
该研究通过界面工程策略成功构建了高效ZnO@TiO₂光催化剂，阐明了异质结增强电荷分离的物理机制，揭示了多自由基协同降解路径。其简易可放大的制备工艺和优异的污染物降解性能，为实际废水处理提供了技术参考。作者Khalil Abassi等特别指出，该材料体系可进一步优化用于可见光响应，推动太阳能驱动的环境净化应用。