锶掺杂对SnO2薄膜微结构及光催化性能的调控机制研究

本研究通过超声喷雾热解法成功制备了纯相及锶掺杂SnO2薄膜，系统分析了Sr掺杂对薄膜晶体结构（XRD）、表面形貌（AFM/SEM）、光致发光（PL）及紫外吸收特性的影响。研究发现Sr掺杂可增加氧空位密度，显著提升对亚甲基蓝染料的光催化降解效率，为开发高效环境净化材料提供了新思路。

　　

在环境污染治理和清洁能源开发需求日益迫切的背景下，金属氧化物半导体光催化材料成为研究热点。其中，二氧化锡（SnO₂）因其3.6 eV的宽带隙特性，在光电转换、传感器和光催化领域展现出巨大潜力。然而，纯SnO₂存在光生电子-空穴复合率高、可见光响应弱等瓶颈问题。化学掺杂被证明是调控其性能的有效手段，但关于碱土金属锶（Sr）掺杂SnO₂的研究仍存在明显空白。锶离子（Sr²⁺）具有2.54 ?的大离子半径，与Sn⁴⁺（0.69 ?）的显著差异可能引发晶格畸变，进而影响材料的电子结构和表面活性。

为探究这一科学问题，某国际联合研究团队在《Optical Materials》发表了创新性研究成果。研究人员采用超声喷雾热解法（ultrasonic spray pyrolysis）在450°C下制备了系列Sr掺杂SnO₂薄膜，通过多尺度表征技术揭示了掺杂浓度与材料性能的构效关系。实验选用硅片和玻璃作为基底，以二水合氯化亚锡（SnCl₂·2H₂O）和六水合氯化锶（SrCl₂·6H₂O）为前驱体，通过X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）、拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和紫外-可见光谱（UV-Vis）进行系统分析，并以亚甲基蓝（MB）降解实验评估光催化活性。

结构分析（XRD）
XRD图谱显示所有样品均呈现金红石型四方结构（空间群P4₂/mnm），未检测到Sr相关杂相，证实Sr²⁺成功进入SnO₂晶格。随着掺杂浓度增加，（110）晶面衍射峰出现宽化并轻微右移，表明Sr掺杂引起晶格收缩和晶粒尺寸减小。

表面形貌表征（AFM/SEM）
AFM三维形貌图显示未掺杂样品表面存在高度约50 nm的锥形颗粒，而Sr掺杂样品呈现更均匀的四方晶粒分布。SEM观察到纯SnO₂薄膜存在团聚现象，而掺杂后样品表面形成多孔结构，这种形貌变化有利于增加光催化反应活性位点。

光学性能研究
PL光谱在468 nm处出现强发射峰，对应氧空位缺陷能级。随着Sr含量增加，该峰强度显著增强，证实掺杂诱导了更多氧空位。UV-Vis测试显示所有样品在紫外区（<400 nm）具有强吸收，带隙能量从纯样的3.68 eV降至3% Sr掺杂样的3.55 eV，这种带隙窄化有利于提升可见光响应。

光催化性能
在UV照射下，3% Sr掺杂样品对MB的降解效率达92%，较纯样提升约40%。这种增强归因于Sr掺杂产生的氧空位作为电子捕获中心，有效抑制了光生载流子复合，同时多孔结构提供了更大的反应比表面积。

该研究首次系统阐明了Sr掺杂浓度与SnO₂薄膜结构-性能的定量关系，证实通过调控氧空位密度可显著提升光催化活性。由Bruno Pignon、Fabien Giovannelli等组成的跨国团队创新性地将超声喷雾热解法应用于Sr-SnO₂体系，为开发低成本、高效率的环境净化材料提供了理论依据和技术路径。这项工作不仅填补了锶掺杂SnO₂在光催化领域的研究空白，其提出的"氧空位-载流子分离-光催化活性"调控机制对其它金属氧化物半导体材料的改性设计具有普适性指导意义。