氯掺杂氧化铜纳米颗粒的协同实验与DFT研究：光电与光催化性能的优化机制

为解决工业废水中有机污染物降解效率低的问题，研究人员通过化学共沉淀法合成Cl掺杂CuO1?xClx NPs，结合实验与密度泛函理论（DFT）分析，证实Cl掺杂可降低带隙、减少氧空位（OV），并提升罗丹明B的紫外光降解效率。该研究为开发高效可见光驱动的光催化剂提供了新思路。

　　

随着工业化进程加速，大量有机污染物排放导致的水体污染已成为全球性难题。传统光催化剂如TiO₂和ZnO因宽带隙（需紫外光激发）而成本高昂，而太阳光中可见光占比达45%，亟需开发能高效利用可见光的材料。氧化铜（CuO）因其窄带隙（1.2-1.8 eV）和化学稳定性成为理想候选，但纯CuO的光生电荷复合率高，限制其实际应用。针对这一挑战，来自孟加拉工程技术大学材料与冶金工程系的研究团队通过氯（Cl）掺杂策略，系统研究了CuO_1?xCl_x纳米颗粒的结构与性能优化机制，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用化学共沉淀法合成Cl掺杂CuO NPs（x=0.025-0.075），结合X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见光谱等技术表征材料特性，并通过密度泛函理论（DFT）计算验证实验结果。

结构表征
XRD分析显示所有样品均保持单斜晶系tenorite相，Cl掺杂引起衍射峰偏移（图1a），表明晶格应变和收缩。FE-SEM和HRTEM显示Cl掺杂导致颗粒尺寸增大，形貌保持球形。XPS在200 eV处确认Cl的存在，并证实氧空位（O_V）减少，说明Cl成功取代O位点。

光学与电子特性
紫外-可见光谱表明Cl掺杂增强可见光吸收，带隙从1.8 eV（纯CuO）降至1.5 eV（x=0.075）。DFT计算（U≈6 eV）显示Cl引入的缺陷态填充禁带，解释了带隙窄化机制。

光催化性能
罗丹明B降解实验显示，x=0.075样品在紫外光下降解效率最高，归因于Cl掺杂改善电荷分离并抑制复合。清除剂实验证实超氧自由基（·O₂^?）是主要活性物种。

该研究通过实验与理论计算的协同，阐明Cl掺杂通过调控电子结构、减少氧空位和优化载流子动力学，显著提升CuO的光催化性能。这不仅为设计高效可见光催化剂提供了新思路，也为废水处理技术的实际应用奠定了科学基础。团队特别指出，Cl掺杂CuO的低成本与高稳定性使其在工业化推广中具有显著优势。