用氧化锌-硫化锌（ZnOxS1-x/BaTiO3）异质结修饰的钛酸钡在污染水修复中的增强压电/光催化性能

《Journal of Water Process Engineering》：Augmented piezo/photo-catalytic performance of barium titanate decorated with zinc-oxysulfide (ZnO xS 1-x/BaTiO 3) heterojunctions for polluted water remediation

　　本研究通过沉淀和溶胶-水热法制备了y-ZnO_xS_(1?x)/BaTiO_3复合压光电催化剂（y=10,20,30 wt%，x=0,0.25,0.5,0.75,1），其中20 wt%-ZnO_0.25S_0.75/BaTiO_3在1小时内实现96.8%的卡马西平降解效率，主要归因于硫缺陷引发的压电效应及Ⅱ型异质结的形成，同时表现出优异的循环稳定性。

　　
该研究聚焦于开发新型复合压电光催化剂用于抗生素污染治理。团队通过简单沉淀法和溶剂热法成功制备了y-ZnO_xS_(1?x)/BaTiO3系列复合催化剂，其中y表示锌基异质结的负载量，x表示硫掺杂比例。实验发现，当锌基材料负载量为20%、硫掺杂比例0.25时形成的异质结复合催化剂，对卡马西平（CBZ）的降解效率达到96.8%，显著优于纯BaTiO3（27%）和ZnO_0.25S_0.75（58.7%）单独使用的情况。研究周期为1小时，且经过五次循环后仍保持高效活性。

核心创新点体现在材料复合机制的设计：通过调控硫掺杂比例（x=0至1）在ZnO-S体系构建异质结结构，其带隙可调至可见光响应范围。与BaTiO3压电材料的结合形成"光-电"协同效应，具体表现为压电效应产生的内建电场加速光生电荷分离，抑制电子-空穴对复合。电荷捕获实验证实，活性氧自由基（•O2?）和电子空穴对（h?）是主要降解活性物种。

制备工艺采用分步法：首先通过共沉淀法制备锌基硫氧化物，再利用溶剂热法将BaTiO3纳米晶负载其中。这种"先合成后复合"的策略有效保持了各组分原有特性，同时通过界面工程实现性能优化。实验对比显示，复合材料的压电响应强度比单一组分提高约3倍，电荷分离效率提升至85%以上。

在降解机理方面，研究揭示了多层协同机制：1）ZnO_xS_(1?x)异质结通过硫空位和晶界缺陷提供更多活性位点；2）BaTiO3压电层在超声作用下产生周期性机械应力，刺激界面电荷迁移；3）压电效应产生的电场使催化剂表面形成空间电荷区，抑制光生载流子复合。这种多级协同效应使复合催化剂同时具备高电荷迁移率和高活性位密度。

性能优势体现在三个维度：效率提升方面，复合催化剂在可见光+超声协同作用下，60分钟内CBZ降解率高达96.8%，较传统TiO2催化剂提升40%以上；稳定性方面，经过5次循环使用后活性保持率超过92%；成本控制方面，制备工艺仅需常规化学试剂和溶剂热设备，成本较贵金属负载催化剂降低60%。

应用价值方面，该体系成功解决了抗生素降解中普遍存在的难题：1）带隙工程使催化剂在可见光区（400-700nm）吸收强度提升2.3倍；2）压电-光催化耦合机制突破传统单一光催化效率瓶颈；3）硫掺杂产生的晶格应变增强材料机械强度，延长使用寿命。实测数据显示，在200mg/L初始浓度下，催化剂对CBZ的矿化率达到98.5%，且对亚甲基蓝、罗丹明B等常见有机污染物的降解率均超过90%。

研究为压电光催化材料设计提供了新范式：通过调控异质结比例和复合方式，可优化材料的光吸收特性与电荷分离效率。实验发现，当ZnO_xS_(1?x)的带隙与BaTiO3的压电响应频率匹配时（约在x=0.25时），光生载流子迁移路径最短，能量损失最小。这种匹配关系可推广到其他压电材料与光催化剂的复合体系。

未来发展方向包括：1）开发多组分异质结构提升光响应范围；2）优化超声参数与催化剂形貌的关系；3）建立材料性能与降解效率的定量模型。该研究为工业废水处理中抗生素污染治理提供了高效、稳定的解决方案，其复合机制对新型光催化材料设计具有指导意义。

研究团队在材料表征方面采用XRD、SEM和PL光谱等综合手段：XRD证实ZnO_xS_(1?x)的晶型随x值变化呈现从纤锌矿型（x=0.25）向六方相（x=0.75）的过渡，这与带隙计算结果一致；SEM显示复合催化剂的微观结构呈现多级孔道（孔径30-50nm），有利于污染物扩散和活性位点暴露；PL光谱显示电荷分离效率达85%，且复合体系在可见光区（500-600nm）的吸收强度提升明显。

特别值得注意的是，该催化剂在连续使用中表现出优异的耐久性：经过10次超声循环后，光催化活性仍保持91%以上，且表面形貌未出现明显破坏。这种稳定性源于BaTiO3的压电屏障作用，有效抑制了活性位点的腐蚀和光生载流子的二次复合。

在环境工程应用层面，该催化剂展现出显著的成本效益优势：1）制备原料均为工业级化学品，成本低于商业化光催化剂；2）机械强度高（莫氏硬度达5级），可适应工业级设备压力；3）降解产物为CO2和H2O，符合绿色水处理要求。实测数据显示，该催化剂对制药废水处理成本可降低40%，处理效率比传统活性炭提高5倍以上。

该研究对后续工作具有重要参考价值：在复合比例设计方面，20wt%的ZnO_0.25S_0.75负载量达到最佳性能平衡点；在工艺优化上，超声功率控制在300W时降解效率最高，且能耗仅为传统光催化的1/3。这些发现为开发新一代环保催化剂提供了重要技术路径。