g-C?N?/ZnO异质结构的可控纳米架构设计，用于高效光催化降解

《Dyes and Pigments》：Controlled Nanoarchitectonics of g-C 3N 4/ZnO Heterostructures for High-Efficiency Photocatalytic Degradation

高效可见光催化降解苯联苯的g-C3N4/ZnO异质结制备及其机理研究

　　

邱志玲|严子怡|钱张建|张慧敏|潘玉成|姜楠|王尚云|李娜|肖欣

江苏海洋大学环境与化学工程学院，连云港222005，中国

摘要：

本文报道了一种简单的一锅法合成g-C₃N₄/ZnO异质结的方法，用于水污染治理。最佳组成的质量比为3:7，该异质结对亚甲蓝的可见光降解效果显著（k = 0.02033 min^-1），这一效果归因于界面电荷分离而非吸附作用，这一结论通过光致发光（PL）和光电流测量得到证实。自由基捕获实验及液相色谱-质谱（LC-MS）分析表明，•OH和h⁺是主要参与的活性物种，并揭示了一种逐步的脱甲基降解途径。密度泛函理论（DFT）计算验证了这种异质结具有II型带对齐结构，其内在电场有助于驱动载流子分离。该复合材料在多次循环使用后仍保持优异的稳定性，显示出其在实际光催化应用中的潜力。

章节摘录

引言

ZnO作为II-VI族半导体的代表，具有3.37 eV的带隙宽度和约60 meV的激子结合能。与传统光催化剂相比，ZnO具有低成本、高安全性和高光电效率等优点^[1]。然而，由于其相对较宽的带隙，ZnO仅能利用紫外线。此外，基于ZnO的光催化剂也存在一些局限性。

材料与试剂

三聚氰胺（2,4,6-三氨基-1,3,5-三嗪，AR）、1,4-苯醌（C₆H₄O₂，AR）、乙酸锌二水合物（Zn(CH₃COO)₂·2H₂O，AR）和亚甲蓝（C₁₆H₁₈N₃ClS，AR）均购自Aladdin Reagent Company。草酸铵（(NH₄)₂C₂O₄，AR）、异丙醇（C₃H₈O，AR）和乙醇（C₂H₆O，AR）购自Macklin Reagent Company。所有化学品均按原样使用。

g-C₃N₄、ZnO及g-C₃N₄/ZnO的合成

将3克三聚氰胺放入马弗炉中，在550 °C下加热4小时。

纳米光催化剂的表征

通过XRD图谱的对比分析，发现纯ZnO样品在2 θ角分别为31.7°、34.4°和36.2°处显示出（100）、（002）和（101）晶面的特征衍射峰（如图2所示）。这些峰位与六方纤锌矿结构的标准数据（JCPDS No. 36-1451）高度吻合，从而证实了ZnO晶体为纤锌矿结构

结论

首先，g-C₃N₄/ZnO的催化活性提升主要源于高效的界面电荷分离，而非吸附作用的增强，这一点通过BET、Zeta电位、光致发光衰减和光电流测量得到证实。其次，LC-MS和自由基捕获实验表明，降解过程主要由•OH和h⁺驱动；Fukui函数计算指出MB表面富含电子的位点是初始氧化反应的优先目标。第三，DFT计算进一步验证了这一机制。

CRediT作者贡献声明

张慧敏：实验研究、数据分析。姜楠：实验指导。潘玉成：实验监督、数据分析。李娜：论文撰写、审稿与编辑、资源协调、项目管理、方法学研究、概念构思。王尚云：实验研究。肖欣：数据可视化、结果验证、资源协调、资金申请、数据管理、概念构思。邱志玲：论文初稿撰写、数据分析。钱张建：实验研究、数据分析。严子怡：

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了连云港市博士后研究基金（LYG20230017）、连云港市“521项目”研究计划以及江苏海洋大学“先进材料功能控制技术重点实验室”开放基金的资助（jsklfctam202305）。作者感谢Scientific Compass（www.shiyanjia.com）提供的XPS测试服务，并衷心感谢eceshi（www.eceshi.com）提供的EPR测量支持。