光催化技术作为一种新型的水处理技术能有效地破坏许多结构稳定的难降解污染物, 具有降解效率高和污染物降解彻底等优点。在不同的光催化材料中，TiO₂和ZnO由于其具有良好的化学稳定性、热稳定性以及高效、无毒、成本低等优点，得到了广泛的研究。与TiO₂相比，ZnO属于直接带隙宽禁带半导体材料，其室温下禁带宽度达3.2 eV。有研究表明，ZnO比TiO₂具有更高的量子效率和光催化效率，有望替代TiO₂成为更有前途的光催化剂。然而，在实际应用中由于光生电子-空穴的快速复合会造成较低的量子产率，使ZnO的光催化活性降低，因此如何提高ZnO的光催化性能仍然是个挑战。

为了促使电子向ZnO表面输运、减少载流子的复合，提高其光催化效率，一般采用金属离子掺杂，非金属离子掺杂、贵金属沉积、复合氧化物半导体等改性技术来修饰ZnO。其中，复合氧化物半导体改性是一种简单有效的方法，通过在两种不同氧化物半导体之间形成异质结可以提高光生电子和空穴的分离效率。另外，碳纳米材料由于其独特的物理化学性能，使得ZnO与其复合材料的光催化性能研究成为一个热门方向。相比于石墨烯、富勒烯等碳纳米材料，碳纳米纤维（CNFs）具有独特的一维结构、高的比表面积（>150m²/g）、超强的机械性能、高的化学和热稳定性，以及良好的导电能力，作为催化剂和催化剂载体受到了广泛关注。特别地，由于CNFs具有高的电子转移效率，在光催化过程中长的CNFs能够有效的捕获和转移光生电子，从而提高电子空穴分离效率。

武汉大学物理科学与技术学院材料物理系潘春旭教授课题组组，近几年在国家重大科学研究计划“973”项目的资助下，在光催化方向的研究主要集中在异质结构的半导体氧化物纳米复合材料的制备及其在光催化领域的应用。最近课题组又取得了二项新的研究进展：

1、提出了一种新的制备ZnO/NiO多孔微纳复合光催化材料的方法。即，首先利用双脉冲电沉积法在泡沫镍模板上沉积一层Zn纳米晶薄膜，然后在空气中进行热氧化处理，使金属Ni和Zn分别转变为NiO薄膜和ZnO纳米针，获得具有微-纳结构的复合光催化材料。由于高温的作用，使得元素Ni与Zn在氧化转变的同时，在其界面处产生元素互扩散，从而形成一个具有致密连接的异质结结构。这有利于提高ZnO/NiO复合材料电子传输能力，增强其催化活性，以及结构的稳定性。实验结果显示由ZnO纳米针与多孔泡沫NiO组成的复合系统的光催化性能比纯ZnO有明显提高。该研究工作已经发表在《RSC Advances》（2014, 4: 3090-3095）上，论文发表不到一年已经被引用7次。

2、在ZnO/NiO复合材料的基础上，首次将ZnO/CNF与ZnO/NiO复合光催化材料结合，提出一种简单的两步化学气相沉积法（CVD）制备3D结构的ZnO/CNF/NiO复合光催化材料的方法。本实验中，CNFs直接从多孔泡沫Ni表面生长出来，ZnO纳米杆在碳纳米纤维CNFs表面均匀分布。实验结果表明，相比于没有CNFs连接的ZnO/NiO复合材料，ZnO/CNF/NiO异质结构的光催化性能和稳定性得到很大提高。这是由于此异质结构具有如下优点： 1）CNFs的三维网络结构为ZnO纳米杆提供更多的附着位点，光在其中能经过多次反射，从而提高光能利用率；2）在两步化学气相沉积过程中NiO薄膜与CNFs之间，以及CNFs与ZnO纳米杆之间都能形成紧密结合界面，增加电子在界面处的迁移率；3）在光催化过程中CNFs成为电子与空穴在ZnO与NiO之间迁移的桥梁，进一步提高了电子与空穴的分离效率。这项工作拓展了ZnO在光催化领域的应用范围，并对光催化材料的实际应用起到了推动作用。该项研究工作研究发表在《Applied Catalysis B: Environmental》（2015, 166-167: 217-223）上.

这项工作得到了国家重大科学研究计划“973”项目（2009CB939700）的资助。

文章链接：

Preparationof porous micro–nano-structure NiO/ZnO heterojunction and its photocatalyticproperty

Preparationof 3D reticulated ZnO/CNF/NiO heteroarchitecture for high-performancephotocatalysis

图1：ZnO/NiO复合材料结构形貌及光催化性能表征

图2：ZnO/CNF/NiO复合材料结构形貌表征

图3：ZnO/CNF/NiO复合材料光催化实验结果。（a）漫反射谱，（b）光电流曲线，(c) 在黑暗下有光催化剂和在光照下没有光催化剂的罗丹明B降解图; (d) 光催化降解图; (e) 降解罗丹明B的线性动力学模拟曲线; (f) ZnO/CNF/NiO复合材料三次循环降解罗丹明B的光催化活性图