武汉大学J. Mater. Sci. ：非溶液法制备Au纳米颗粒修饰的ZnO/NiO异质结构及其优异的光催化性能

【引言】

自1972年Fujishima等首次发现TiO₂单晶电极光催化分解水以来，利用光催化分解水中有机污染物的研究一直备受关注。关于此类半导体金属氧化物光催化剂的研究层出不穷。然而，在实际应用中，由于光能利用率低以及光生电子和空穴的复合问题，导致光催化材料的光催化效率不高，严重阻碍了其经济化和实用化。因此，如何有效的提高其催化效率成为一个极其重要的研究领域。

【成果简介】

近日，武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授（通讯作者）课题组的硕博连读生吴俊等人在 Journal of MaterialsScience (2017, 52: 1285-1295. DOI: 10.1007/s10853-016-0424-4.) 上发表题为“Preparationof Au nanoparticle-decorated ZnO/NiO heterostructure via nonsolvent method forhigh-performance photocatalysis”的文章。研究团队利用简单的物理法，既避免了化学法制得催化剂粉末易凝聚、难分离、易失活和难以回收利用的缺点，又避免了基于溶液体系制备的复合体系较难形成紧密接触的异质结构，会在界面处形成“gap”或者“虚连接”的问题，成功制备了Au纳米颗粒修饰的Au/ZnO/NiO复合光催化材料。在此复合材料中，ZnO纳米针与NiO薄膜及Au纳米颗粒形成了紧密结合的异质结构，大大提高了其光生电子-空穴对的分离效率和复合材料的结构稳定性。通过简单的时间调节，得到了不同Au纳米颗粒修饰量的复合样品。在最佳条件下，该复合样品的光催化降解效率比纯的ZnO/NiO样品提高了2倍多。

【图文导读】

图1 ZnO/NiO复合结构的SEM形貌图。（a）低倍（插图：原始泡沫镍）；（b）高倍。

图2 样品的XRD表征：（a）Ni/Zn；（b）ZnO/NiO；（c）Au/ZnO/NiO复合材料。

图3 不同溅射时间下Au纳米颗粒沉积在ZnO纳米针表面的TEM图：（a）0s；（b）10s；（c） 20s；（d）30s；（e）40s；（f）50s。

图4 复合材料降解RB的光催化性能。（a）在黑暗下有光催化剂和在光照下没有光催化剂的RB降解图；（b）不同样品的光催化降解曲线；（c）不同样品的动力学线性曲线；（d）ZnO/NiO和Au/ZnO/NiO（40s）三次循环降解RB的光催化活性图。

图5 （a）Au/ZnO/NiO复合材料的光催化机理图；（b）Au纳米颗粒的SPR效应。

【小结】

该项研究的特点在于：一方面，沉积的Au纳米颗粒不仅与ZnO形成肖特基势垒，抑制了电子和空穴的复合，而且引起表面等离子体共振（SPR）效应，增强了复合材料对可见光的吸收效率。另一方面，复合材料在非溶液条件下制备，避免了杂质的引入，使Au与ZnO，ZnO与NiO之间形成了紧密结合的异质结构。因此，所得到的复合材料不论是光催化降解效率还是光催化稳定性均得到提高。利用本工作的实验原理还可以制备不同体系的贵金属纳米颗粒修饰的光催化材料，在太阳能电池、制氢和光催化环境污染处理等领域具有重要的应用前景。

文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s10853-016-0424-4