g-C3N4/ZnO纳米复合材料的构建及其结构-光学-形态学协同效应对抗菌性能的调控机制

本研究针对ZnO半导体材料光生载流子复合率高、太阳光利用率低等问题，通过化学共沉淀法构建g-C3N4/ZnO异质结纳米复合材料。采用XRD、TEM、XPS等多维表征技术证实材料成功耦合，发现5wt.%组分的复合材料具有最优抗菌性能（对铜绿假单胞菌抑菌圈达25mm），为环境友好型抗菌剂开发提供新思路。

　　

在环境污染和抗生素耐药性日益严峻的背景下，开发新型抗菌材料成为研究热点。传统氧化锌(ZnO)虽具有抗菌特性，但其宽带隙(3.37 eV)导致仅能利用4%的太阳光，且光生电子-空穴对快速复合严重制约其应用效率。石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其2.7 eV的窄带隙和类石墨烯层状结构，可作为理想的电子传输介质。研究人员通过化学共沉淀法创新性地构建了g-C₃N₄/ZnO纳米复合材料，相关成果发表在《Results in Surfaces and Interfaces》上。

研究采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等8种表征技术，系统分析了1-10wt.%不同比例复合材料的特性。通过紫外-可见漫反射光谱(UV-DRS)证实复合材料吸收边红移，5wt.%样品带隙降至3.13eV。光致发光光谱(PL)显示g-C₃N₄的引入有效抑制了ZnO的缺陷发光峰，X射线光电子能谱(XPS)则揭示了Zn-N键的形成，证实异质结成功构建。

3.1 XRD分析显示所有样品均保持六方纤锌矿结构，10wt.%组出现27.65°的g-C₃N₄特征峰。通过Scherrer方程计算发现，1wt.%组晶粒尺寸最大(33.635nm)，而10wt.%组降至21.661nm，呈现非单调变化规律。

3.2 PL光谱解析发现纯ZnO存在458nm(锌间隙缺陷)、566nm(氧空位)和692nm(氧间隙缺陷)三个特征峰。复合材料中g-C₃N₄的σ*-LP(435nm)和π*-π(494nm)跃迁峰与ZnO峰位发生蓝移，表明界面电荷转移。

3.3 FESEM显示g-C₃N₄呈现多孔层状结构，复合材料形成椭圆形形貌。EDX证实元素组成符合预期，但Zn/O原子比从纯ZnO的0.96降至复合材料的0.45-0.75，归因于表面羟基化作用。

3.4 TEM直接观察到ZnO纳米颗粒均匀分散在g-C₃N₄片层上，10wt.%组出现明显团聚。选区电子衍射(SAED)显示(100)和(002)晶面环，与XRD结果一致。

3.6 XPS分析揭示Zn2p_3/2在1021eV(Zn-C)和1022eV(Zn-O)的双峰结构，N1s谱中396eV的峰证实Zn-N键形成，为异质结界面化学相互作用提供直接证据。

1. 抗菌实验显示1wt.%复合材料对铜绿假单胞菌抑菌圈达25mm，是纯ZnO的2.8倍。但10wt.%组活性下降，与材料团聚现象相关。

该研究通过精准调控g-C₃N₄含量，实现了ZnO材料带隙工程和界面缺陷调控的双重优化。特别值得注意的是，5wt.%组分在保持结构稳定性的同时，使可见光吸收范围显著拓宽，为开发太阳光驱动的自清洁抗菌涂层提供了理论依据。研究揭示的"组成-结构-性能"关系，对新型半导体异质结抗菌剂的设计具有重要指导价值。