《Journal of Water Process Engineering》：Evaluation of thermally-structured kaolin-ZnO ceramic composites as adsorptive photocatalysts for the degradation of triarylmethane and azo dyes
编辑推荐：
•两步热处理工艺可形成更优的陶瓷复合微结构。•界面处会形成氧化锌铝尖晶石，有助于提升载流子分离效果。•经过预处理的复合材料晶格应变更低，结晶度更高。•优化后的介孔结构能显著提升染料吸附效率与物质传输能力。•DD2Z(T) + 80%重量比的ZnO可对多种染料实现超过85%的降解率
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两步热处理工艺可形成更优的陶瓷复合微结构。
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界面处会形成氧化锌铝尖晶石，有助于提升载流子分离效果。
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经过预处理的复合材料晶格应变更低，结晶度更高。
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优化后的介孔结构能显著提升染料吸附效率与物质传输能力。
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DD2Z(T) + 80%重量比的ZnO可对多种染料实现超过85%的降解率。
引言
纺织、印刷和化妆品等行业排放的合成染料导致的水体污染是全球性的严重环境问题[1]。在这些污染物中，偶氮染料（具有特征性的单键N双键N单键结构）和三芳基甲烷染料因其高可见性、难以被生物分解以及潜在的毒性和致癌性而尤为值得关注[2]。传统的废水处理方法往往无法完全分解这些复杂的芳香化合物，这就凸显出需要采用高级氧化工艺（AOPs）[3]。异质光催化作为一种重要的AOP技术，利用半导体材料在光照作用下产生活性氧物种，进而将有机污染物分解为无害物质[4]。氧化锌因具有较高的活性、低成本且无毒性，而被广泛用作光催化剂进行研究[5]。然而，其实际应用受到光生电子-空穴对快速复合以及颗粒在水中团聚等问题的限制，这些因素会降低催化剂的活性表面积，还增加了催化剂回收的难度[6]。一种解决这些问题的有效方法是将氧化锌固定在稳定且多孔的陶瓷基质中[7]。
高岭土是一种天然存在且价格低廉的粘土矿物，是制备此类陶瓷基质的理想原料。当高岭土受热后，会转变为莫来石和方石英的混合物，从而形成坚固且化学性质稳定的骨架结构[8]。近期有研究尝试在粘土基质中添加金属氧化物，以制备具有更好吸附和催化性能的复合材料[9]、[10]。
尽管取得了这些进展，但热处理过程对高岭土-氧化锌陶瓷复合材料的微结构演变及其后续光催化性能的影响这一关键问题仍缺乏深入研究。大多数研究仅聚焦于单步煅烧或化学合成途径，未能系统探讨多步热处理工艺如何调控界面相的形成[11]、[12]。本研究提出了一种新的两步热处理策略，能够实现对界面ZnAl?O?尖晶石相形成的精准控制——这种尖晶石相是促进载流子分离的关键异质结组分。为便于理解我们的研究成果，表1总结了近期用于染料降解的光催化系统，并重点展示了通过我们的热处理工艺所实现的优异性能指标。这类复合材料的微结构和相组成在很大程度上取决于烧结工艺，通过调整热处理过程，可以控制相的变化、孔隙率，进而影响其功能性能。
本研究旨在通过两种不同的热处理途径来制备结构化的高岭土-氧化锌陶瓷复合材料：传统的单步直接烧结法以及创新的两步烧结工艺。除了进行基本的性能表征外，本研究还将详细的SEM/EDS微观结构分析与晶体结构演变相结合，建立了牢固的结构-性能关联机制。我们系统地阐明了两步热处理工艺如何形成更优的微结构，这种微结构具有均匀的相分布、高度可控的界面ZnAl?O?尖晶石形成，以及极低的内部晶格缺陷。尤为重要的是，本研究解决了光催化反应器设计中的一个核心矛盾：如何在保证初始降解速率的同时兼顾结构的加工可行性。虽然传统的悬浮纳米粉末催化剂由于具有更大的暴露活性表面积而具有更高的效率，但其工业化应用却受到催化剂持续流失、颗粒团聚以及需要能耗较高的后处理分离装置的制约。相比之下，本研究开发的整体式陶瓷固定床结构故意牺牲了极高的粉末级降解速率，从而实现了关键的工艺突破：结构完全稳固、无催化剂流失，且能够依靠重力实现高效的出水回收。通过将这种战略性两步热处理工艺与这种自支撑的整体式框架相结合，这种集成化方案为设计高性能、可重复使用的陶瓷光催化剂以用于实际的废水处理提供了极具可行性的、可规模化应用的稳定解决方案。
虽然传统的光催化剂粉末通常因为具有更大的表面积而表现出更高的效率，但它们也容易发生团聚，难以回收，且重复使用次数有限。
章节摘要
材料
主要原料为来自阿尔及利亚盖尔马省杰贝尔德巴格地区的天然高岭土。选择这种高岭土是因为它的高高岭石含量和较低的杂质水平，这些特性对于在高温处理过程中实现稳定的相变至关重要。该高岭土呈块状，颜色为浅灰色。改性剂氧化锌则购自Sigma-Aldrich公司（产品编号205532，纯度99.9%，CAS编号1314-13-2）。
高温处理后高岭土-氧化锌体系的相演变与晶体结构发展
图2(a)和(b)所示的XRD衍射图谱揭示了由高岭土-氧化锌复合材料的熱处理工艺所决定的复杂相演变机制。为了获得最高的晶体学清晰度，这些体系的结构演变是通过全图谱拟合以及Pawley/Le Bail方法进行分解来严格分析的，具体结果如图2所示。通过模拟数学模型
甲基蓝的光催化降解动力学
对这些陶瓷复合圆盘的光催化性能进行了测试，测试对象为浓度为10毫克/升的甲基蓝（化学式C??H??N?Na?O?S?）溶液。由于这些催化剂为固体整体结构，反应动力学过程需要在数小时的时间尺度内进行，而非几分钟，这是因为反应过程受到扩散限制，染料分子和光子必须先与催化剂表面发生作用[94]。通过每小时检测一次溶液的紫外-可见吸收光谱，来监测降解进程。
结论
本研究充分证明了热处理工艺对高岭土-氧化锌陶瓷复合材料的微结构及其光催化性能具有至关重要的影响。采用先在1300℃下保温，然后再在1400℃下进行最终烧结的两步热处理工艺，是制造出性能更优材料的关键所在。该工艺促进了界面处氧化锌铝尖晶石相的形成，
CRediT作者贡献说明
迪克拉·布拉斯：论文撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思。马蒙·费拉赫：论文撰写——审阅与编辑、数据整理、概念构思。比莱尔·萨利希：实验研究、资金获取、正式分析。内斯托尔·安卡：结果验证、软件应用、资源协调、方法设计、实验研究。洛特菲·凯扎米：论文撰写——审阅与编辑、资金获取。内萨尔·梅拉赫：论文撰写——审阅与编辑、结果可视化、结果验证、项目监督。
参与同意声明
本研究内容尚未发表，也未提交给其他任何期刊投稿；已获得所有参与者或其监护人的书面知情同意。
关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明
在准备本论文时，作者使用了Deep Seek工具来辅助英文编辑工作。在使用该工具/服务之后，作者对内容进行了必要的审核和修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。
致谢
作者们想要感谢法赫德国王石油与矿业大学、先进材料跨学科研究中心（编号INAM2409）、膜与水资源安全跨学科研究中心以及沙特阿拉伯科研部所提供的支持。
迪克拉·布拉斯|马蒙·费拉赫|比莱尔·萨利希|内斯托尔·安卡|洛特菲·凯扎米|内萨尔·梅拉赫
