【会员论文】西安电子科技大学---通过一步水热法制备具有优异的光催化性能的ZnGa₂O₄/Ga₂O₃双壳空心球结构

        由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Materials Advances 发布了一篇名为 High photocatalytic performance of ZnGa₂O₄/Ga₂O₃ double-shell hollow sphere structures prepared via a one-step hydrothermal method（通过一步水热法制备具有优异的光催化性能的 ZnGa₂O₄/Ga₂O₃ 双壳空心球结构）的文章。

        本研究得到国家自然科学基金委员会（no. 51902255 和 51803168）、陕西省自然科学基金（2023-JC-YB-015）、陕西省重点研发项目（2022GY-356）以及陕西省高校青年创新团队的支持。

        光催化技术被认为是解决日益严重的环境污染和能源危机问题的一种有前景、可持续的绿色技术。二氧化钛（TiO₂）是研究最广泛的光催化剂，但其宽带隙限制了其对太阳能的利用率（仅能利用紫外光部分）。因此，开发在可见光下具有高活性的新型光催化剂至关重要。尖晶石结构的镓酸锌（ZnGa₂O₄）是一种重要的宽禁带半导体，具有优异的光学、电学特性和高化学稳定性，在光催化降解有机污染物方面显示出巨大潜力。为了进一步提升其光催化效率，通常采用构建异质结的方法。将窄带隙半导体与宽带隙半导体结合，可以拓宽光吸收范围并促进光生电子-空穴对的有效分离。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种重要的宽禁带半导体，与 ZnGa₂O₄ 复合可以形成高效的异质结。此外，材料的形貌和结构对光催化性能也有显著影响。中空多壳层结构因其能提供更多的活性位点、增强光的多重散射效应而备受关注。然而，传统制备这种复杂中空异质结结构的方法通常涉及多步、耗时且复杂的工艺。开发一种简单、一步法合成高效光催化剂的技术具有重要意义。

        本研究探讨了采用一步水热法合成的 ZnGa₂O₄/Ga₂O₃ 异质结（具有双壳空心球结构）对罗丹明B（RhB）的光催化降解性能。研究发现，该结构通过在 ZnGa₂O₄ 与 Ga₂O₃ 界面形成 S 型异质结，显著提升了光催化性能。通过优化原料配比，获得了 RhB 最大降解速率为 0.1133 min⁻¹，该值几乎是 Ga₂O₃ 单体光催化剂的 2 倍、ZnGa₂O₄ 单体光催化剂的 5 倍，以及 RhB 自身降解速率的 96 倍。捕获实验表明，h⁺ 在 RhB 活性基团的高效分解中起到了关键作用。本研究为高效光催化降解有机污染物提供了新型 ZnGa₂O₄/Ga₂O₃ S- 方案异质结的新思路和简便制备方法。

        研究团队成功地通过一步水热法合成了双壳空心球形 ZnGa₂O₄、Ga₂O₃ 量子点以及 S 型异质结 ZnGa₂O₄/Ga₂O₃ 空心球形光催化剂，所有这些材料均表现出对 RhB 染料良好的光催化性能。在 500 W 氙灯照射 20 分钟后，ZnGa₂O₄ 和 Ga₂O₃ 的光降解效率分别达到 41.26% 和 64.49%。此外，ZnGa2O4/Ga₂O₃ 异质结的光催化性能优于传统材料。在相同条件下，以 1:3 的给料比制备的 ZnGa₂O₄/Ga₂O₃ 异质结的降解效率为 95.21%。此外，捕获实验证明，在催化过程中发挥关键作用的活性物质是 h⁺。S 型异质结能够将具有弱还原和氧化能力的电子和空穴重新结合，并暴露具有强还原氧化能力的电子和空穴，从而显著提升光催化性能。本研究为简单高效制备双壳空心球形 ZnGa2O4/Ga₂O₃ 提供了新方法，并为降解 RhB 等有机污染物提供了新思路。所合成的 ZnGa₂O₄/Ga₂O₃ 在其他环境处理领域具有潜在应用前景。

图1. GO 和 ZGX 样品的 XRD 图谱（X=0、1、2、3和4）。

图2 碳黑（GO）的扫描电子显微镜（SEM）图像（a）、ZG0（d）、ZG1（g）、ZG2（h）、ZG3（i）和ZG4（j）。碳黑（GO）的透射电子显微镜（TEM）图像和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像（b）和（c），以及ZG0的TEM图像和HRTEM图像（e）和（f）。

DOI：

doi.org/10.1039/D5MA00179J