Zn2+掺杂调控CuInS2可见光催化活性机制及其在染料降解中的应用研究

为解决有机染料污染难题，研究人员通过液相回流法合成Zn2+掺杂CuInS2(ZCIS)，发现3% Zn掺杂使RhB降解率在120分钟内达89%（k=0.0203 min-1），揭示了Zn2+通过抑制e-/h+复合、增强可见光吸收提升催化活性的机制，为环境污染物治理提供新材料设计策略。

　　

有机染料污染是当前环境治理的重大挑战，其中罗丹明B（RhB）因其高毒性和难降解特性尤为棘手。传统处理方法如吸附、化学沉淀等存在二次污染风险，而TiO₂等传统光催化剂受限于紫外光响应和电荷复合率高的问题。在此背景下，低毒、可见光响应的CuInS₂(CIS)材料备受关注，但其固有缺陷如电荷复合快、比表面积低制约了实际应用。

大理大学药学院的研究团队创新性地采用Zn²⁺掺杂策略，通过液相回流法成功制备了Zn-CuInS₂(ZCIS)纳米材料。研究发现，当Zn²⁺与(Cu²⁺+In³⁺)的掺杂比为3:100时，材料在455 nm单色光照射下表现出最优异的催化性能——RhB降解效率达89%，反应速率常数k提升至0.0203 min^-1。这项突破性成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》，为开发高效可见光催化剂提供了新思路。

关键技术包括：液相回流法合成ZCIS纳米颗粒；X射线衍射(XRD)表征晶体结构；紫外-可见漫反射光谱测定能带结构；光电化学测试分析电荷分离效率；自由基捕获实验鉴定活性物种。

【材料表征】XRD显示Zn²⁺掺杂未改变CIS四方晶相，但引起晶格收缩（2θ右移），证实Zn成功掺入晶格。3% ZCIS的晶粒尺寸减小至25 nm，比表面积显著增加。

【光学性能】DRS测试表明Zn掺杂使吸收边红移，带隙从1.58 eV降至1.45 eV，可见光捕获能力增强。PL光谱显示3% ZCIS的荧光强度最低，证明Zn²⁺有效抑制了e^-/h⁺复合。

【催化机制】通过猝灭实验确认四种活性物种协同作用：空穴(h⁺)直接氧化染料分子；电子(e^-)还原O₂生成·O₂^-；·OH自由基通过链式反应降解中间产物。Zn²⁺的d轨道惰性特性促进了载流子迁移，其掺杂形成的缺陷态作为电子陷阱延长了电荷寿命。

该研究首次系统阐明了Zn²⁺掺杂对CIS材料"能带结构-电荷动力学-催化活性"的调控规律。3% ZCIS催化剂在保持晶体结构稳定的同时，实现了可见光吸收、电荷分离效率与表面反应活性的协同提升。这项工作不仅为设计高效硫族化合物光催化剂提供了理论依据，其采用的绿色合成方法和低毒性组分更符合可持续发展理念，在工业废水处理领域具有广阔应用前景。论文通讯作者Ya Yan团队指出，未来可通过构建ZCIS基异质结进一步优化性能，推动光催化技术的实际应用。