镁掺杂氧化锌薄膜的制备及其对孔雀石绿染料的高效光催化降解机制研究

推荐：本研究通过低成本自制喷雾热解技术制备Mg掺杂ZnO(MZN)薄膜，系统探究了不同Mg/Zn原子比(3%-7%)对薄膜结构及光催化性能的影响。结果表明7% MZN薄膜具有独特的二维根状形貌、最高表面粗糙度(88.24 nm)和最优带隙(3.20 eV)，在80分钟内实现92.73%的孔雀石绿(MG)染料降解率，为可重复使用的环境净化材料开发提供了新思路。

　　

随着工业废水排放加剧，含有机染料污染物对水环境的威胁日益严峻。孔雀石绿(MG)作为一种高毒性的三苯甲烷类染料，虽被欧美国家明令禁止，仍在发展中国家广泛使用，其潜在的致癌性和生态毒性引发高度关注。传统纳米粉末光催化剂存在回收困难、易二次污染等问题，而半导体薄膜催化剂因其可重复使用特性成为研究热点。在众多半导体材料中，氧化锌(ZnO)因其与TiO₂相似的3.37 eV带隙和60 meV激子结合能备受青睐，但纯ZnO存在电荷复合率高、光响应范围有限等缺陷。镁(Mg)因其离子半径(0.57 ?)与Zn²⁺(0.60 ?)相近，成为优化ZnO性能的理想掺杂剂，可有效调控能带结构并减少氧空位缺陷。

为解决上述问题，国内研究人员在《Next Materials》发表研究，通过自建喷雾热解装置制备了不同Mg掺杂浓度(3%-7%)的ZnO薄膜，系统研究了微观结构演变与光催化性能的构效关系。研究发现7% Mg掺杂使薄膜形成独特的二维根状形貌，表面粗糙度提升近8倍，带隙拓宽至3.20 eV，对MG的降解效率达92.73%，且经过5次循环后仍保持稳定活性。这项工作为开发高效、可重复使用的薄膜光催化剂提供了重要参考。

关键技术方法包括：采用自建喷雾热解系统(载气压力0.6 bar，基板温度300±5°C)制备薄膜；通过X射线衍射(XRD)分析晶体结构；场发射扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征形貌；紫外-可见分光光度计测定光学性能；在自制光反应器(20W UV光源)中评估MG降解效率；使用异丙醇(IPA)、苯醌(BQ)等自由基捕获剂探究反应机制。

研究结果：
3.1 MZN薄膜形成机制
通过锌醋酸镁前驱体热分解反应，在基板上形成ZnO:Mg结构，化学反应方程式显示Mg²⁺成功掺入ZnO晶格。

3.2 形貌微结构特性
SEM显示7% MZN薄膜形成连续根状结构，宽度达微米级；AFM证实其表面粗糙度(Ra=88.24 nm)显著高于纯ZnO(11.13 nm)。XRD证实所有样品均为六方纤锌矿结构，(002)晶面择优取向，7%样品晶粒尺寸36.34 nm，应力分析显示掺杂引起晶格畸变。

3.3 光学性能
紫外分析显示Mg掺杂引起吸收边蓝移(布斯坦-莫斯效应)，7% MZN带隙增至3.20 eV。透射率从纯ZnO的90%降至掺杂样品的80%，与表面粗糙度增加相关。

3.4 光催化活性与机制
7% MZN在80分钟内降解92.73% MG，效率比纯ZnO(70.21%)显著提升。自由基捕获实验证实羟基自由基(OH)是主要活性物种。独特的2D根状结构提供更大比表面积，Mg掺杂形成的局域能级有效抑制载流子复合，带隙拓宽增强了氧化还原电位。

这项研究通过精准调控Mg掺杂浓度，成功构建了具有特殊形貌和电子结构的ZnO薄膜光催化剂。7% MZN薄膜展现的92.73%降解效率和优异循环稳定性，突破了传统粉末催化剂的回收难题。研究揭示了表面形貌-电子结构-催化活性的内在关联，为设计可工业化应用的薄膜光催化剂提供了理论依据和实践方案。特别值得注意的是，自建喷雾热解装置的低成本特性(相较于磁控溅射等真空技术)和可扩展性，使其在废水处理领域具有显著应用前景。该工作通过多尺度表征阐明了Mg掺杂增强光催化活性的物理机制，为后续开发其他金属掺杂半导体体系提供了重要参考。