绿色合成ZnO/CuO、ZnO/NiO与NiO/CuO二元纳米复合材料的光催化性能比较及其在废水处理中的应用研究

　　本研究针对工业染料废水污染问题，采用植物提取物绿色合成了ZnO/CuO、ZnO/NiO和NiO/CuO三种二元纳米复合材料。通过XRD、SEM、UV-Vis等技术表征证实材料具有较小的晶粒尺寸(13.98-20.58 nm)和较窄的带隙(2.48-2.62 eV)。在自然光照射下，ZnO/CuO对亚甲基蓝的降解率最高达95.42%，这归因于异质结形成促进电荷分离。该研究为开发高效、可持续的光催化剂提供了新思路。

　　

随着工业化的快速发展，水污染问题日益严重，特别是纺织、造纸和皮革等行业排放的有机染料废水，对生态系统和人类健康构成了巨大威胁。亚甲基蓝(Methylene Blue, MB)作为一种常见的阳离子染料，即使浓度很低也具有潜在毒性，且难以自然降解。传统的物理化学处理方法如吸附和混凝等，往往存在降解不完全、成本高、易产生二次污染物等局限性。因此，开发高效、经济且环境友好的废水处理技术迫在眉睫。

在这一背景下，半导体光催化技术展现出巨大潜力。该技术利用太阳能驱动化学反应，能够将有机污染物彻底矿化为无害的CO₂和H₂O。然而，单一组分金属氧化物如氧化锌(ZnO)、氧化镍(NiO)和氧化铜(CuO)等，各自存在明显缺陷：ZnO虽然紫外光催化活性高，但其宽禁带(～3.37 eV)限制了可见光利用，且电子-空穴对复合率高；CuO虽能吸收大部分可见光，但易发生光腐蚀；NiO则存在载流子迁移率低等问题。

为了克服这些局限性，研究人员将目光投向二元半导体纳米复合材料。通过构建异质结(heterojunction)，可以促进光生电荷载流子的分离，抑制其复合，同时拓宽光谱响应范围。特别是p-n异质结的形成，能在界面处产生内建电场，显著提升光催化效率。此外，传统的化学合成方法往往使用有毒试剂，对环境不友好。因此，开发绿色、可持续的合成方法也成为研究热点。

在这项发表于《Respiratory Medicine》的研究中，研究人员使用印楝树叶(neem)提取物作为生物还原剂和封端剂，在室温下成功合成了三种二元金属氧化物纳米复合材料：ZnO/CuO、ZnO/NiO和NiO/CuO。研究采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电子显微镜(SEM)观察形貌，紫外-可见光谱(UV-Vis)测定光学性质，并通过降解亚甲基蓝实验评价光催化性能。

研究结果显示，三种纳米复合材料均成功制备，且具有较小的平均晶粒尺寸：ZnO/CuO为13.98 nm，ZnO/NiO为18.28 nm，NiO/CuO为20.58 nm。光学带隙测定表明，复合材料的带隙比单一组分更窄，分别为2.48 eV、2.59 eV和2.62 eV，这有利于可见光的吸收。

在光催化性能方面，ZnO/CuO表现出最优异的性能，在30分钟内对亚甲基蓝的降解率达到95.42%，明显高于ZnO/NiO(92.33%)和NiO/CuO(89.23%)。这种性能差异主要归因于ZnO/CuO异质结的高效电荷分离能力。通过BET测定发现，ZnO/CuO的比表面积最大(46.22 m²/g)，为反应提供了更多的活性位点。

研究人员还系统优化了光催化反应条件，发现最佳pH为11，催化剂投加量为60 mg，MB初始浓度为10 mg/L。在碱性条件下，催化剂表面带负电，与带正电的MB分子产生静电吸引，促进了降解反应。动力学研究表明，伪一级动力学模型能更好地描述降解过程。

通过自由基捕获实验，证实光生空穴(h⁺)是降解过程中的主要活性物种。能带结构计算表明，ZnO/CuO形成了Type-II交错异质结，这种能带排列有利于电子从CuO的导带向ZnO的导带转移，空穴从ZnO的价带向CuO的价带转移，从而实现电荷的有效分离。

此外，循环使用实验表明，ZnO/CuO在经过四次使用后仍保持较高的催化活性，显示出良好的稳定性。XRD分析证实，循环使用后催化剂的晶体结构没有明显变化，表明其具有抗光腐蚀性能。

该研究的创新之处在于：首次系统比较了三种特定二元金属氧化物纳米复合材料(ZnO/CuO、ZnO/NiO和NiO/CuO)在相同条件下的光催化性能；采用绿色合成方法，避免了传统化学合成中的有毒试剂；深入探讨了异质结类型、能带结构与光催化性能之间的关系。

这项研究为开发高效、稳定的光催化剂提供了重要参考，特别是在利用太阳能进行废水处理方面具有广阔的应用前景。绿色合成的ZnO/CuO纳米复合材料展现出优异的性能，有望在实际废水处理中得到应用。未来的研究可以进一步探索特定植物化学成分在合成过程中的作用机制，利用更先进的表征技术如X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)深入理解电子结构和活性位点，并在真实废水环境中评估催化剂的性能，推动其走向实际应用。