光催化新突破：生物炭/氧化锌复合材料的微结构演化与光催化性能研究

搁浅

光催化新突破：生物炭/氧化锌复合材料的微结构演化与光催化性能研究（DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.01.077）

在环境污染日益严重的今天，寻找高效、低成本的光催化材料用于水处理成为科研人员的重要课题。近期，一篇题为《Photocatalytic property correlated with microstructural evolution of the biochar/ZnO composites》的研究文章引起了广泛关注。该研究深入探讨了生物炭/氧化锌（ZnO）复合材料的微结构演化及其光催化性能，为环境治理提供了新的思路和方法。

研究背景

光催化技术作为一种绿色、高效的环境污染治理手段，因其在降解有机污染物方面的显著优势而备受关注。氧化锌（ZnO）作为一种典型的半导体光催化剂，以其低成本和高光催化活性而被广泛研究。然而，ZnO的高带隙（3.37 eV）和光生电子-空穴对的快速复合限制了其在光催化领域的广泛应用。此外，ZnO对可见光的响应较弱，主要依赖于紫外光，这进一步限制了其光催化效率。因此，如何提高ZnO的光催化效率成为研究的关键。

生物炭，作为一种可再生的天然资源，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、高碳含量和电子导电性，被认为是一种理想的光催化剂载体材料。生物炭不仅可以提高光催化剂的吸附能力，还能有效抑制光生电子-空穴对的快速复合，从而提高光催化效率。本研究通过调整生物炭与ZnO的摩尔比，采用简单的水热法制备了生物炭负载的ZnO纳米颗粒复合材料，并系统研究了其微结构演化和光催化性能。

Fig. 1 e XRD patterns of (a) biochar, (b) pure ZnO and biochar-supported ZnO with different molar ratios.

研究方法

研究中使用的生物炭是通过将**茎在650°C的氩气氛围中热解3小时得到的。随后，通过水热法将Zn(NO3)2·6H2O溶解在去离子水中，加入生物炭并超声分散后，在160°C下反应12小时，最终通过离心、过滤和干燥得到生物炭/ZnO复合材料。实验中分别制备了摩尔比为1:0.5、1:1和1:2的生物炭/ZnO复合材料，分别记为B1Z0.5、B1Z1和B1Z2。

Fig. 2 e FE-SEM images of pure ZnO (a, b) and biochar-supported ZnO with different molar ratios of B1Z0.5 (c, d), B1Z1 (e, f) and B1Z2 (g, h).

实验结果

微结构演化

XRD分析显示，生物炭主要由无定形碳组成，而ZnO呈现单一的六方纤锌矿结构。随着生物炭/ZnO摩尔比的增加，ZnO的晶粒尺寸先减小后增大，表明生物炭对ZnO的结晶生长有显著影响。FE-SEM图像显示，生物炭的加入使ZnO的形貌发生了显著变化，尤其是当摩尔比为1:0.5时，形成了均匀分散在生物炭表面的3D花状ZnO纳米结构。这种特殊的微观结构为光催化反应提供了更多的活性位点。

Fig. 3 e EDS element mapping images of the B1Z0.5 composite and the corresponding EDS spectrum.

光学性质

UV-vis DRS光谱分析表明，生物炭/ZnO复合材料的光吸收性能显著增强，尤其是B1Z0.5样品，其光吸收范围从紫外光扩展到了可见光区域，这归因于生物炭与ZnO纳米颗粒之间的化学相互作用。XPS分析进一步证实了在生物炭与ZnO纳米颗粒的界面处形成了Zn-O-C键，这种化学键的存在有助于降低光生电子-空穴对的复合率。

Fig. 4 e (a) DRS (UVevis) absorption spectra of biochar, pure ZnO and biochar/ZnO composites with different molar ratios, (b) the corresponding plots of (ahn)2 versus (hn).

Fig. 5 e XPS spectra of the B1Z0.5 composite: (a) C 1s, (b) Zn 2p and (c) O 1s.

光催化性能

光催化实验结果表明，生物炭/ZnO复合材料对亚甲蓝（MB）的降解效率远高于纯ZnO。其中，B1Z0.5样品在100分钟内对MB的降解效率达到了98.71%，显示出优异的光催化性能。这一结果表明，生物炭的加入显著提高了ZnO的光催化效率，且3D花状ZnO纳米结构的形成对提高光催化性能起到了关键作用。

Fig. 6 e (aed) Photocatalytic properties of pure ZnO and biochar/ZnO with different molar ratios, (e) the degradation efficiencies of these composite photocatalysts, and (f) the corresponding calculated degradation efficiencies for the MB degradation under UVevisible light irradiation.

讨论与分析

特殊的微观结构与光催化性能的关联

研究发现，生物炭的高比表面积和独特的孔隙结构为ZnO纳米颗粒的分散提供了理想的平台，增加了光催化剂的活性位点数量，从而提高了光催化效率。此外，3D花状ZnO纳米结构的存在使得复合材料具有更优的晶体取向，进一步增强了光催化性能。

Fig. 7 e (a) SEM imageof thebiochar, and N2 adsorptionedesorption isotherm and the corresponding textural parameters of (b) biochar, (c) ZnO and B1Z0.5.

光催化机理

在光催化过程中，生物炭与ZnO纳米颗粒之间的协同效应起到了重要作用。ZnO纳米颗粒在紫外-可见光照射下产生光生电子-空穴对，而生物炭的导电性使得电子能够从ZnO的导带转移到生物炭表面，从而降低了电子-空穴对的复合率。这一过程不仅提高了光生载流子的分离效率，还促进了活性氧物种（如羟基自由基和超氧自由基）的生成，最终导致了更高的光催化降解效率。

结论

本研究通过调整生物炭与ZnO的摩尔比，成功制备了具有不同微观结构的生物炭/ZnO复合材料，并深入探讨了其微结构演化与光催化性能之间的关系。研究结果表明，生物炭/ZnO复合材料因其独特的微观结构和协同效应，在光催化降解有机污染物方面展现出优异的性能。特别是当生物炭与ZnO的摩尔比为1:0.5时，复合材料的光催化效率最高，这为开发高效、低成本的光催化材料提供了重要的理论依据和实验指导。未来，随着对生物炭/ZnO复合材料的进一步研究和优化，其在环境污染治理领域的应用前景将更加广阔。

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