人工纳米 ZnAgO/ZnO/ZnAlO 复合材料：光催化领域的新突破

为提升 ZnO 光催化活性，研究人员制备 ZnAgO/ZnO/ZnAlO 复合材料，发现其能高效降解污染物，意义重大。

　　在当今科技飞速发展的时代，光催化材料作为解决能源和环境问题的关键 “钥匙”，备受科研人员的关注。氧化锌（ZnO）纳米粒子凭借其独特的物理和化学性质，如较大的带隙（3.32eV）、良好的光学和电学性能、高催化能力等，在众多领域展现出巨大的应用潜力，从橡胶增强到防晒化妆品，从传感器到光催化降解污染物，它的身影无处不在。然而，ZnO 也存在一些局限性，比如其光响应主要集中在紫外光区域，对可见光的利用效率较低，这限制了它在实际应用中的效果。为了突破这些瓶颈，进一步提升 ZnO 的光催化性能，来自越南多所高校和科研机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。

该研究成果发表在《Heliyon》杂志上。研究人员旨在通过制备一种新型的人工纳米尺寸的 ZnAgO/ZnO/ZnAlO 复合材料，探索其在光催化领域的卓越性能。他们期望这种复合材料能够充分发挥 Ag 和 Al 掺杂的协同效应，有效提高光生载流子对的分离效率，拓展光吸收范围，从而显著提升 ZnO 的光催化活性。

在研究过程中，研究人员运用了多种先进的技术方法。首先，采用低温辅助共沉淀法合成 ZnAgO/ZnO/ZnAlO 复合材料，该方法操作简便、成本较低且适合大规模生产。其次，利用粉末 X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、能量色散光谱（EDS）、光学吸收光谱、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和光致发光光谱（PL）等多种表征技术，对复合材料的结构、形貌、元素分布和光学性质进行了全面深入的分析。此外，通过监测罗丹明 B（RhB）和苯酚的降解来评估复合材料的光催化活性，并运用 SCAPS-1D 软件对材料的光电性能进行模拟研究。

研究结果主要如下：

1. XRD 分析：XRD 结果显示，Al 和 Ag 成功掺入 ZnO 晶格，当 Al 和 Ag 杂质分别超过 3% 和 1% mol 时，出现新的衍射峰，分别对应 Ag?O 和 Al 相关的杂质峰。这表明通过掺杂，复合材料的晶体结构发生了改变12。
2. FT-IR、Raman 和 PL 研究：FT-IR 光谱证实了 ZnO 的存在，且杂质浓度增加时，相关峰强度增强。Raman 光谱表明存在纤锌矿结构的 ZnO，且掺杂改变了其晶格振动特性。PL 光谱显示，Ag 和 Al 掺杂产生多种缺陷态，增强了材料在可见光区域的光学性能，同时保留了 ZnO 的主要紫外发射3。
3. 表面形貌研究：FE-SEM 图像显示，复合材料颗粒呈六边形，尺寸在几十纳米左右，且分布均匀。不同掺杂浓度对颗粒尺寸有一定影响，Al 掺杂使颗粒尺寸减小，Ag 掺杂使颗粒尺寸增大4。
4. TEM 和 EDS 映射分析：HR-TEM 图像显示颗粒尺寸在 20 - 40nm 之间，与其他测试结果相符。EDS 映射表明，Zn、Ag 和 Al 元素分布均匀，但 Ag 在 ZnO 晶格中的掺入难度较大5。
5. UV - 可见吸收分析：UV-Vis 光谱显示，复合材料在 378nm 处有明显吸收带，且随杂质浓度和类型变化而移动。Ag?O 和 Al 分别在 443nm 和 467nm 处产生吸收峰，掺杂使材料带隙向短波长移动6。
6. 光催化剂分析：在光催化降解 RhB 实验中，Zn?.??Ag?.??O/ZnO/Zn?.??Al?.??O 复合材料表现出优异性能，20 分钟内降解率接近 100%。研究还考察了掺杂浓度、催化剂剂量、初始染料浓度等因素对光催化性能的影响，并通过自由基捕获实验和总有机碳（TOC）分析揭示了其光催化机理。此外，该催化剂对苯酚也有良好的降解效果，且具有较好的可重复性和稳定性7。
7. SCAPS-1D 分析：通过 SCAPS-1D 软件分析，确定了复合材料的最佳参数，即 ZnAlO 层的施主密度为 5×101? cm?3、厚度为 60nm，ZnAgO 层的施主密度为 1×101? cm?3、厚度为 150nm 时，材料性能最佳8。

综上所述，研究人员成功制备了人工纳米尺寸的 ZnAgO/ZnO/ZnAlO 复合材料，并对其进行了全面深入的研究。该复合材料在光催化降解有机污染物方面表现出卓越的性能，为解决环境问题提供了一种高效、稳定且具有潜在应用价值的光催化材料。同时，研究中确定的最佳材料参数为后续的材料优化和实际应用提供了重要的理论依据。这一研究成果不仅推动了光催化领域的发展，也为相关领域的科研人员提供了新的研究思路和方法，有望在未来的环境治理和能源领域发挥重要作用。