基于天然低共熔溶剂自组装的ZnO/CuS纳米结构增强有害水污染物的光催化降解性能

本研究针对传统光催化剂改性方法成本高、环境危害大的问题，开发了一种在天然低共熔溶剂(NaDESs)中构建ZnO/CuS纳米复合材料的新策略。通过尿素-葡萄糖NaDES体系调控催化剂的形貌和电子属性，成功制备出具有优异表面特性和光活性的ZnO:CuS/U:G-1催化剂，对四环素盐酸盐(TH)和孔雀石绿(MG)的降解率分别达到99%和97%。该研究为绿色溶剂在环境修复中的应用提供了新思路，对开发高效环保的光催化系统具有重要意义。

　　

随着工业化和城市化的快速发展，水环境污染问题日益严重，特别是抗生素和染料等有机污染物对生态系统和人类健康构成了严重威胁。光催化技术作为一种高效、环保的水处理技术，近年来受到广泛关注。然而，传统光催化剂的改性方法往往依赖于成本高昂、环境不友好的化学修饰策略，这严重限制了其大规模应用。目前常用的异质结构建、金属/非金属掺杂以及与先进材料（如MOFs、COFs等）杂化等方法，虽然能改善催化剂的性能，但都存在工艺复杂、成本高、可能产生二次污染等问题。

在这种背景下，天然低共熔溶剂(Natural Deep Eutectic Solvents, NaDESs)作为一种绿色、可持续的溶剂体系，为光催化剂的绿色合成提供了新的可能。NaDESs由尿素、碳水化合物、氨基酸等简单有机分子组成，完全不含金属成分，具有制备简单、成本低廉、环境友好等优点。虽然NaDESs在提取应用中已有较多研究，但其在光催化领域的应用还相对较少。

为了探索NaDESs在光催化剂制备中的应用潜力，研究人员在《Surfaces and Interfaces》期刊上发表了最新研究成果。他们以ZnO:CuS纳米复合材料为模型光催化剂，系统研究了不同NaDESs体系（尿素-果糖和尿素-葡萄糖）对催化剂形貌、电子结构和光催化性能的影响。

研究团队主要采用了水热合成法在不同溶剂体系中制备ZnO:CuS纳米复合材料，通过X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)进行结构表征，使用氮气吸附-脱附等温线(BET)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)分析材料的织构性质和形貌特征，借助紫外-可见漫反射光谱(UV-DRS)研究材料的能带结构，并利用zeta电位仪测定表面电势。光催化性能测试在可见光光源下进行，以四环素盐酸盐(TH)和孔雀石绿(MG)作为模型污染物，通过紫外-可见光谱监测降解过程。

3.1. 开发系统的表征

通过XRD分析发现，在尿素-葡萄糖NaDES中制备的ZnO:CuS/U:G-1纳米颗粒显示出更宽的衍射峰，表明其具有非晶态特征，这可能提供更多的活性位点并促进电子传输。FT-IR光谱证实了所有样品中Zn-O和Cu-S键的存在，NaDESs制备的样品中还出现了溶剂功能基团的附加峰。BET结果表明，ZnO:CuS/U:G-1具有最高的比表面积（25.3 m²/g），与在水溶液中制备的样品相当。FE-SEM图像显示，ZnO:CuS/U:G-1形成了独特的分层多孔结构，而其他样品则呈现为密集重叠的结构。UV-DRS分析表明，ZnO:CuS/U:G-1具有2.84 eV的中间带隙，既有利于电荷分离，又适合可见光操作。Zeta电位测试显示，ZnO:CuS/U:G-1具有最高的负电位（-31.3 mV），这对吸附带正电的污染物非常有利。

3.2. 光催化活性

光催化性能测试表明，ZnO:CuS/U:G-1对TH和MG的降解率分别达到99%和97%，显著高于其他样品。重复使用性测试显示，经过5个循环后，ZnO:CuS/U:G-1对TH的降解效率仅下降1%，对MG下降4%，表现出优异的稳定性。

3.3. 性能机制

通过清除剂实验研究了光催化机理。对于TH的降解，羟基自由基起主要作用；而对于MG的降解，空穴的作用更为重要。超氧离子自由基也参与了两种污染物的降解过程。

该研究证实了天然低共熔溶剂在调控光催化剂性能方面的巨大潜力。通过简单的溶剂策略改变，成功实现了对ZnO:CuS纳米复合材料形貌、电子结构和表面性质的精细调控。特别地，在尿素-葡萄糖NaDES体系（U:G-1）中制备的催化剂表现出最佳的性能组合：适宜的表面面积、优化的能带结构（2.84 eV）和较高的负表面电势（-31.3 mV），这些特性共同促成了其卓越的光催化活性和稳定性。

这项研究的重要意义在于提出了一种简单、绿色、低成本的光催化剂改性策略。与传统的化学修饰方法相比，NaDESs策略不仅避免了昂贵试剂和复杂工艺的使用，还大大减少了环境足迹。此外，该研究拓宽了NaDESs在光催化领域的应用范围，为开发高效、稳定的环境修复材料提供了新思路。研究结果展示了绿色溶剂在可持续纳米材料合成中的巨大潜力，对推动光催化技术在实际环境治理中的应用具有重要价值。