有机污染物危害着自然环境和人类健康。传统的环境修复技术,如焚烧、物理吸附、过滤、沉降、微生物降解等技术都存在着一些不足,如耗能大、无法起到移除污染物的作用、修复周期长、处理过程中会产生毒性更大的物质。光催化降解作用能够直接去除二次污染物,降低环境修复的成本,且工艺简单、常温下就能进行,具有一定的优势。作为一种传统的半导体光催化剂,ZnO一直得到大家的关注和研究,但是传统的ZnO容易光腐蚀,只能在紫外区域光催化,效率低。为了解决这些不足和缺陷,一方面从ZnO本身的结构上改良,如构筑微/纳结构ZnO,提高结构稳定性,改善自身光腐蚀;另一方面用贵金属修饰ZnO,有助于载流子的重新分布,提高光催化剂的光量子效率。
固体所研究人员通过构筑一种微/纳结构Ag/ZnO多孔棒,克服ZnO易光腐蚀和光催化效率低的问题,在紫外和太阳光下,对降解有机染料表现出良好的光催化性能和优异的光稳定性。
图1. (a)ZnO的拉曼谱;(b)ZnO和Ag/ZnO的荧光发光谱
除了经典的银负载氧化锌,增强其光催化性能的机理解释以外,研究人员制备的这种微/纳结构ZnO多孔棒,结晶性好,很大程度上减少表面缺陷位。有文献报道ZnO的光腐蚀主要发生在表面缺陷位,通过减少或者修饰表面缺陷位,可以有效的抑制光腐蚀,提高ZnO的光稳定性;此外,Ag纳米颗粒修饰ZnO,有助于载流子的重新分布,电子从费米能级较高的半导体转移到较低的金属,直至二者的费米能级相同,从而形成俘获激发电子的肖特基势垒,避免电子空穴的复合,使电子、空穴得到了有效分离,另一方面可以进一步减少ZnO表面缺陷。
图2. 紫外光或太阳光下,Ag/ZnO多孔棒光催化降解MB的机理图
以上工作已申请专利,研究结果在美国化学学会应用材料和界面期刊上正式发表【ACS Appl. Mater. Interfaces. 2012, 4(11), pp 6030–6037】。该工作得到国家重大科学研究计划(No. 2013CB934303),国家自然科学基金(No. 51072199)和中科院合肥物质研究院院长基金的资助。