用于光催化活性的金属氧化物异质结

摘要

异质结的构建可提升溶液燃烧合成法的光催化活性，该方法是一种高效利用时间和能量的工艺。本实验方案采用先进的分析表征技术评估材料的特性，结果表明，纳米复合材料对酸性橙-8染料的降解性能得到显著改善。

摘要

全球对合成技术及其最佳特性的改进存在显著需求，尤其是在工业规模应用方面。基于溶胶-凝胶的溶液燃烧合成法（SG-SCS）是一种制备有序多孔材料的简便方法。在这方面，皮尔逊软硬酸碱理论有助于选择宿主-掺杂剂的反应性，以形成合适的异质结。

异质结的形成还会改变材料的基本性质，通过电荷转移或协同作用增强光催化性能。根据差示热重分析（DTG）的稳定性评估结果，500 °C的煅烧温度是该过程的理想条件。

通过X射线衍射和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）验证了所制备的纳米颗粒（NPs）和纳米复合材料（NCs）的纳米级尺寸。此外，扫描电子显微镜图像和BET分析证实了材料的多孔特性。HRTEM、X射线光电子能谱和能量色散X射线分析确定了材料的组成。研究发现，与纯ZnO相比，纳米复合材料对酸性橙8（AO8）染料的降解效率更高。

引言

随着全球企业数量迅速增加，环境保护已成为一个重大关切问题。因此，在现代科学领域，基于纳米技术的纳米材料（NMs）及其合成方法相比块体材料更受研究人员关注¹。目前已有多种物理化学方法被用于处理有机和无机污染物^2,3。其中，由于异相光催化技术具有操作简便、能有效降解毒素且不会产生二次污染的优点，被认为是一种适应性强的修复技术⁴。研究已设计出由合适带隙半导体构成的异质结或掺杂结构，有助于减少材料中电子-空穴对的复合，并优化其比表面积和体积。这一条件进一步提高了染料的光催化降解效率^5,6,7。近期研究还报道了异质结/杂化结构在协同效应和电荷转移改善方面的重要作用^8,9，而半导体金属氧化物则表现出适用于多功能应用的独特物理和化学性质¹⁰。因此，二氧化钛（TiO₂）和氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）受到了研究人员的广泛关注^11<....

方案

1. 纳米材料合成

1. ZnO-Mn₂O₃ 纳米复合材料合成
   1. 使用聚乙烯醇作为表面活性剂，采用络合剂辅助的溶胶-凝胶自蔓延燃烧合成法（SG-SCS）制备纳米复合材料。有关SG-SCS方法的图示说明，参见 补充图 S1.
   2. 将1.5 g PVA聚合物溶于100 mL蒸馏水中，在磁力搅拌器上持续搅拌约15 min，于 115 °C²³.
   3. 将浓度为90% v/v的六水合硝酸锌盐前体溶液和浓度为10% v/v的硫酸锰盐前体溶液倒入上述已溶解的PVA溶液中，持续搅拌约10分钟，并将温度降低至 70 °C.
      注意：为遵循成核-掺杂方法，将盐前驱体同时混合以平衡纳米复合前驱体的反应活性^16,24温度降低至 70 °C 根据La Mar模型控制纳米颗粒的加速生长和聚集^25,26.
   4. 将生成的金属氢氧化物溶胶（胶体颗粒）置于密闭且避光的环境中陈化2天。随后，通过加热使溶液脱水 110 °C （在空气中）形成凝胶。
      注意：PVA 聚合....

结果

图1A 显示二元纳米晶体在DTG仪器分析氮气中煅烧前的热稳定性₂ 大气。吸附的 H 蒸发序列₂O分子、分子内衰变、金属氢氧化物和/或PVA侧链分解、分子间作用/PVA主链分解，最后晶区部分发生反应生成碳、烃类和灰分^29,30.

NCs 在高于 720 °C 时表现出稳定性下降。XRD 图谱中的衍射角及其对应的晶面符合 ZnO NPs 的六方晶体结构（ICSD：00-036-1451；图 1B）。与复合材料相比，ZnO NPs 的衍射峰更尖锐，表明 NCs 的结晶性较差³¹。ZnO（图 1C）和 Mn₂O₃（图 1C.......

讨论

本实验方案描述了采用自下而上策略合成具有精确形貌、尺寸和结构的纳米晶体的方法。研究发现，在纳米晶体形成之前，其成核与生长过程至关重要。本研究中，ZnO和锰氧化物的合成基于LaMer研究团队提出的理论²⁵，该理论认为纳米晶体的形成过程包括前驱体被还原为原子和晶核，进而形成种子，最终生成纳米晶体。在此过程中，纳米晶体的整体形貌和尺寸取决于种子的生长行为、种子的性质以及表面活性剂/封端剂的再活化作用。聚乙烯醇（PVA）可作为还原剂及封端/稳定剂^58,59。与此同时，与传统的溶液凝胶-自蔓延燃烧合成（SG-SCS）方法不同，后者使用燃料作为氧化剂，而本方法仅使用PVA聚合物作为络合剂和封端剂，不添加任何燃料。在此情况下，水被用作溶剂，这与其他研究中常用的有毒、致癌或致突变溶剂不同，具有更高的安全性。

本研究基于硬软酸碱（HSAB）理论^16,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酸性橙 8	Sigma-Aldrich		65%,
氯	Sigma-Aldrich	7782-50-5
二噻吩并锗咯	Sigma-Aldrich	773881-43-9
HCl	Sigma-Aldrich	7647-01-0
硝酸锰（10%）盐	Sigma-Aldrich	15710-66-4	10%
一水合硫酸锰	Sigma-Aldrich		密度：2.95 g/cm³；水中溶解度：70 g/100 mL（70 °C）；99.95%,  MnSO4.H2O
聚乙烯醇	Sigma-Aldrich	9002-89-5	密度：1.19–1.31 g/cm³ @20 °C，仅在温度 > 80 °C 时溶于水
六水合硝酸锌（90%）	Sigma-Aldrich	10196-18-6	98%；密度：2.065 g/cm³ @20 °C；水中溶解度：184.3 g/100 mL @20 °C
所用仪器
材料名称	型号	分析项目
BET（N2 吸附-脱附等温线）	Quanta chrome 仪器	结构特性
DT/DTA	Shimadzu DTG-60H	测定热稳定性
FTIR	Perkin Elmer FT-IR, Spectrum 65	化学键信息
HRTEM	JEOL TEM 2100 HRTEM	形貌、尺寸及成分分析
SEM-EDX	配备低真空装置和 ALTO 1000 冷冻附件的 SEM-EDX-EVO 18	形貌分析
XPS	AXIS ULTRA 来自 AXIS 165
XRD	Shimadzu, XRD-7000	结晶性、结构及平均晶粒尺寸估算
常用软件
名称	公司	用途
Mendeley	Mendeley-Desktop-1.19.8-win32	用于参考文献引用
Origin	OriginPro 8	XRD、BET、UV-vis-DRS 数据分析