综述：尖晶石铝酸盐基异质结作为光催化剂的研究进展

《ChemistryOpen》：Spinel Aluminate-Based Heterojunctions as Photocatalyst: A Review

本综述系统探讨了尖晶石铝酸盐（MAl2O4；M=Zn, Mg, Ca, Sr）在光催化领域的应用潜力，重点阐述了其通过异质结工程、离子掺杂和能带结构调控来优化电荷载流子动力学、减少复合损失的策略。文章深入分析了基于能带理论和界面电荷转移的光催化机理，并展望了其在环境修复（如有机污染物降解）中的未来发展。

　　

光催化与铝酸盐材料概述

全球环境危机，特别是由有机污染物引起的水污染，已成为21世纪最紧迫的挑战之一。作为应对，高级氧化工艺（AOPs），尤其是光催化降解技术，因其环境友好和高效的特点而受到广泛关注。在众多光催化材料中，尖晶石铝酸盐纳米复合材料（MAl₂O₄，其中M代表二价金属阳离子）因其显著的结构多样性、卓越的稳定性和可调的物理化学性质而成为有前途的候选者。

光催化机理与异质结作用

光催化是一种光诱导的催化过程，利用半导体通过氧化还原反应降解或转化化学物质。其性能取决于带隙能量、电荷载流子动力学和表面性质等因素。尖晶石铝酸盐的光催化特性源于其在紫外或可见光照射下产生电子-空穴对的能力，这导致材料表面形成活性氧物种（ROS），对光催化应用至关重要。

为了提升效率，与其他半导体形成异质结是一种策略性方法。主要的电荷分离和光催化机制包括Type-II异质结、直接Z-方案和肖特基结。

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  Type-II异质结机制：两种半导体的能带边缘交错排列，光生电子从较高导带（CB）能的材料转移到较低CB能的材料，而空穴则反向迁移，从而实现空间电荷分离。
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  直接Z-方案电荷转移机制：模拟自然光合作用，PC I半导体的导带电子与PC II半导体的价带空穴复合，使得PC II的导带和PC I的价带选择性保留高能电荷载流子，从而增强光催化效率。
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  肖特基结与表面等离子体共振（SPR）效应：当尖晶石铝酸盐与贵金属（如Ag、Au）耦合时，在界面处形成肖特基结，贵金属作为电子阱抑制复合。此外，贵金属的局域表面等离子体共振效应可实现强可见光吸收。

各类铝酸盐的特性与应用

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  镁铝酸盐（MgAl₂O₄）：典型的尖晶石结构，立方晶系，带隙约3.8 eV。其光催化性能可通过与多壁碳纳米管（MWCNT）形成复合材料、构建三元复合材料（如MgAl₂O₄/CeO₂/Mn₃O₄双p-n结）以及形成Z-方案异质结（如与g-C₃N₄）等方式显著增强，用于降解亚甲蓝（MB）、甲基橙（MO）等污染物。
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  锌铝酸盐（ZnAl₂O₄）：同样具有尖晶石结构，带隙较宽。通过绿色合成、与BiPO₄、Bi₂MoO₆、CeO₂等形成异质结，或构建ZnO/ZnAl₂O₄、ZnAl₂O₄/Bi₂O₃（直接Z-方案）等复合材料，可有效提高对染料和药物污染物的光催化降解效率。
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  钙铝酸盐（CaAl₂O₄）：单斜晶系结构，带隙较宽（5.6–6.0 eV）。通过掺杂铕（Eu）、钕（Nd）等稀土元素可引入长余辉发光特性，与g-C₃N₄量子点等复合材料可实现无光照条件下的持续光催化。Ag₂O修饰也能显著提升其性能。
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  锶铝酸盐（SrAl₂O₄）：单斜晶系，以其长余辉发光特性闻名。通过掺杂（如Bi, Eu, Dy）、与TiO₂、g-C₃N₄、WO₃等形成复合材料，或构建三元体系（如Ag₂O/SrAl₂O₄/CNT），可有效利用其发光特性增强光催化过程，用于降解多种有机污染物。

未来展望与结论

尽管取得了进展，基于ZnAl₂O₄、MgAl₂O₄、CaAl₂O₄和SrAl₂O₄的光催化剂仍面临可见光吸收有限和电荷载流子复合率高的问题。未来的研究需要侧重于材料设计和改性的创新策略，包括开发Z-方案和S-方案异质结结构、通过掺杂调控电子结构、进行表面修饰（如引入氧空位）以及采用纳米结构控制等。通过战略性材料工程，这些体系在推进可持续光催化技术方面具有巨大潜力。