WO3/CoFe2O4直接Z型异质结的构建及其高效光催化降解甲基橙的机制研究

为应对环境污染与能源危机，研究人员通过水热法构建了WO3/CoFe2O4（WO/CFO）直接Z型异质结，实现了140分钟内96.2%的甲基橙（MO）降解率，其反应速率常数分别为WO3和CFO的2.36倍与1.9倍。该研究通过能带匹配与内置电场调控，显著提升了电荷分离效率，为磁性光催化剂设计提供了新思路。

　　

论文解读：

随着化石燃料过度消耗引发的环境污染与能源危机日益严峻，太阳能驱动的光催化技术成为解决污染与能源问题的潜在方案。然而，单一半导体材料如WO₃（三氧化钨）虽具有2.8 eV的理想带隙和可见光响应能力，却面临光生电子-空穴对易复合的瓶颈；而磁性材料CoFe₂O₄（CFO，钴铁氧体）虽易于回收且具有1.5 eV窄带隙，但单独使用时催化效率有限。如何通过材料复合同时实现高效催化与便捷回收，成为研究者亟待突破的难题。

为此，国内研究人员通过水热法成功构建了WO₃/CoFe₂O₄直接Z型异质结（简称WO/CFO），并系统探究了其降解甲基橙（MO）的性能与机制。研究显示，该复合材料在140分钟内对MO的去除率高达96.2%，其反应速率常数分别是单一WO₃和CFO的2.36倍与1.9倍。这一成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，为磁性光催化剂的设计提供了重要参考。

关键技术方法
研究采用水热合成法制备WO/CFO复合材料，通过X射线衍射（XRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）分析晶体结构与形貌，结合紫外光电子能谱（UPS）测定能带排列。光催化活性通过MO降解实验评估，并利用电子顺磁共振（EPR）和自由基捕获实验揭示活性物种的作用机制。

研究结果

1. XRD与HRTEM分析：XRD证实WO₃与CFO的晶面特征峰共存，HRTEM显示二者紧密接触，界面清晰，为异质结形成提供结构基础。
2. 光催化性能：WO/CFO的MO降解效率显著优于单一组分，归因于Z型电荷转移路径抑制了电子-空穴复合。
3. 机制解析：UPS证实异质结内置电场驱动电荷定向迁移，EPR检测到超氧自由基（·O₂^?）和空穴（h⁺）为降解主要活性物种。

结论与意义
该研究通过能带工程构建了具有内置电场的直接Z型异质结，不仅大幅提升电荷分离效率，还保留了材料的磁性回收特性。WO/CFO的优异性能为开发高效、可回收的环境修复材料提供了新策略，同时为Z型机制在光催化领域的应用拓展了理论依据。未来可通过调控组分比例进一步优化材料性能，推动其在工业废水处理中的实际应用。