ZnMn2O4/TiO2异质结光催化降解有机污染物的太阳能驱动机制研究

本研究针对工业染料废水治理难题，创新性地构建了p-ZnMn2O4/n-TiO2异质结光催化剂，通过溶胶-凝胶自燃烧法合成材料，结合DFT和MD模拟揭示了亚甲基蓝（MB）的高效降解机制。该异质结在3小时太阳光照射下实现99%降解率，为开发高效太阳能驱动污水处理技术提供了新思路。

　　

随着工业染料的大规模使用，以亚甲基蓝（MB）为代表的有机污染物对水生生态系统构成严重威胁。这种阳离子噻嗪染料具有穿透细胞膜的特殊能力，其环境持久性和毒性远超阴离子染料。传统污水处理技术如生物降解、膜过滤等方法存在效率低、成本高、易产生二次污染等缺陷。在此背景下，太阳能驱动的半导体光催化技术因其清洁、高效的特点成为研究热点，但窄带隙半导体材料普遍存在电荷复合率高、光响应范围有限等问题。

研究人员通过溶胶-凝胶自燃烧法成功制备了ZnMn₂O₄纳米材料，并与TiO₂构建p-n异质结。XRD分析显示产物为结晶良好的四方相ZnMn₂O₄，平均晶粒尺寸34.12 nm。光学表征测得ZnMn₂O₄及其异质结的直接带隙分别为1.95 eV和1.97 eV。虽然单独组分对MB降解效果有限，但异质结形成后性能显著提升，在太阳光下3小时内实现99%降解率。研究还系统考察了染料浓度、pH值、催化剂投加量等参数的影响规律。

关键技术方法包括：1）溶胶-凝胶自燃烧合成ZnMn₂O₄；2）紫外-可见漫反射光谱测定带隙；3）BET法表征比表面积；4）密度泛函理论（DFT）计算MB电子结构；5）分子动力学（MD）模拟吸附行为。

【结构、形貌、光学和电化学性质】
TG分析显示材料在270°C后质量稳定，表明有机残留物完全分解。电化学测试证实异质结有效抑制了电子-空穴复合，电荷转移电阻从ZnMn₂O₄的89.6 Ω降至异质结的52.3 Ω。

【理论研究】
DFT计算揭示了MB分子的强给体-受体特性，最高占据分子轨道（HOMO）主要分布在芳香环和氨基上。MD模拟显示MB在ZnMn₂O₄表面的吸附能（-318.4 kJ/mol）显著高于TiO₂（-210.8 kJ/mol），这与实验观测的降解效率趋势一致。

该研究首次报道了p-ZnMn₂O₄/n-TiO₂异质结在太阳能驱动MB降解中的应用，通过实验与理论计算的结合，阐明了材料构效关系与反应机制。异质结工程不仅拓展了光响应范围，还通过能带匹配促进了电荷分离。研究成果为设计高效太阳能光催化剂提供了重要参考，对发展可持续污水处理技术具有积极意义。论文发表在《Materials Science and Engineering: B》。