Ni、Zn共掺杂Ag3PO4光催化剂的降解机制及其在模拟太阳光下的性能增强研究

针对Ag3PO4光催化剂载流子复合严重、固溶度受限等问题，研究人员通过Ni、Zn共掺杂策略，成功拓宽Zn2+固溶度并引入杂质能级，显著提升可见光利用率和污染物降解效率。密度泛函理论计算表明，共掺杂可调控能带结构并形成浅陷阱捕获电子，为金属离子协同改性半导体提供了新思路。

　　

随着工业发展，水污染问题日益严峻，染料、酚类和抗生素等有机污染物对生态系统和人类健康构成威胁。半导体光催化技术因其环保高效特性成为研究热点，其中Ag₃PO₄凭借2.3-2.4 eV的窄带隙和强氧化能力备受关注。然而，其光生载流子易复合、颗粒易团聚等缺陷限制了实际应用。传统单元素掺杂因固溶度限制难以突破性能瓶颈，而过渡金属共掺杂可通过元素间相互作用调控电子结构，成为潜在解决方案。

上海某研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过水热法制备Zn单掺及Ni-Zn共掺杂Ag₃PO₄催化剂，结合X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、电化学阻抗谱(EIS)和密度泛函理论(DFT)计算，系统探究了共掺杂对材料性能的影响机制。

晶体结构与元素分析
XRD显示所有样品均保持立方相Ag₃PO₄结构（JCPDS 84-0192），Zn掺杂导致衍射峰右移，表明晶格收缩。X射线光电子能谱(XPS)证实Ni²⁺/Ni³⁺和Zn²⁺成功掺入晶格，且共掺杂样品中Zn含量显著高于单掺体系，证明Ni促进了Zn的固溶度提升。

光学与电化学性能
UV-Vis显示Zn掺杂使吸收边红移，共掺杂样品可见光响应进一步增强。DFT计算揭示：单掺时Zn和Ni的杂质态位于价带内，而共掺杂会在带隙中形成Ni的浅陷阱能级，有效捕获光生电子。莫特-肖特基测试表明共掺杂使平带电位负移0.21 V，EIS显示电荷转移电阻降低58%，证实载流子分离效率显著提升。

光催化性能
在降解刚果红(CR)、双酚A(BPA)和亚甲基蓝(MB)实验中，最佳共掺杂样品NZ-3的降解速率常数分别是纯Ag₃PO₄的4.2倍、3.8倍和3.5倍。自由基捕获实验证实·O₂^-和h⁺是主要活性物种，电子顺磁共振(EPR)检测到共掺杂样品·OH信号强度增强2.3倍。

结论与意义
该研究创新性提出Ni-Zn共掺杂策略：（1）Ni的引入使Zn固溶度提升至4.7 at%，远超单掺极限2 at%；（2）共掺杂形成带隙内浅能级，构建电子传输通道；（3）Ni²⁺/Ni³⁺价态转换促进活性物种生成。该工作为突破单元素掺杂局限性提供了范例，通过精准调控杂质能级位置，实现了Ag₃PO₄光催化性能的协同增强，对开发高效废水处理材料具有重要指导价值。