可磁分離的 ZnO / ZnFeO Janus 中空納米纖維對水溶性有機染料的光催化降解研究

DOI: 10.1021/acsanm.9b00838

研究者設計并可控制地制備了具有新型Janus中空納米纖維（ZnO / ZFO JHNFs）結構的ZnO / ZnFe₂O₄作為有效的光催化劑。首先，通過電紡絲技術制備了Fe（NO₃）₃ / Zn（NO₃）₂ / PVP復合納米纖維。接下來，通過原子層沉積（ALD）方法將ZnO層逐層沉積在上述納米纖維上，從而形成Fe（NO₃）₃ / Zn（NO₃）₂ / PVP @ ZnO納米纖維。然后，煅燒后得到具有均勻異質結構分布的ZnO / ZFO JHNFs。通過調節ZnO層的ALD循環數，可以控制Janus結構中ZnO與ZnFe₂O₄的比例，從而影響內部電場。 Janus中空結構可以有效分離光生載流子，以及表面還原和氧化過程。對于亞甲藍在可見光下的降解，ZnO/ZFO JHNFs的表觀一階速率常數（k_app）比具有隨機分布異質結的電紡ZnO/ZnFe₂O₄納米纖維和純ZnFe₂O₄中空納米纖維（ZFO-HNFs）的表觀一階速率常數（k_app）分別大2和17倍左右。實驗還研究了Janus異質結的影響，用Al₂O₃作為ZnFe₂O₄與ZnO之間的阻擋層，形成了具有三明治結構的ZnO/Al₂O₃/ZnFe Fe₂O₄中空納米纖維（ZnO/Al₂O₃/ZFO SHNFs）。ZnO/Al₂O₃/ZFO SHNFs的k_app僅為ZnO/ZFO JHNFs的1/12，略高于ZFO-HNFs，這說明Janus異質結中的電子轉移過程是提高光催化性能的關鍵。此外，由于ZnFe₂O₄的鐵磁性，在光催化實驗后，ZnO/ZFO JHNFs在磁場下易于分離。ZnO/ZFO JHNFs具有良好的太陽光利用率和磁分離能力，在環境恢復和能量轉換領域具有廣闊的應用前景。此外，基于氧化物的Janus異質結可以為設計新型高效光催化劑提供新的思路。

圖1.（a）ZnO / ZFO-1 JHNFs，（b）ZnO / ZFO-2 JHNFs，（c）ZnO / ZFO-3 JHNFs和（d）ZnO / Al₂O₃ / ZFO SHNFs的SEM圖像。

圖2.（a），（b）ZnO / ZFO-2 JHNFs的TEM圖像，（c），（d）ZnO / ZFO-2 JHNFs的HRTEM圖像。 （f）Zn，（g）O和（h）Fe的映射圖像。

圖3.（a）ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的TEM圖像。 （b）ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的元素分布曲線。 （c）Zn，（d）O，（e）Fe和（f）Al的映射圖像。

圖4. ZnO / ZFO-1 JHNFs，ZnO / ZFO-2 JHNFs，ZnO / ZFO-3 JHNFs和ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的XRD圖。

圖5.（a）XPS完全掃描光譜和（b）Zn 2p，（c）O 1s和（d）Fe 2p的高分辨率XPS光譜。

圖6.（a）ZnO HNFs，ZFO HNFs，ZnO / ZFO-1 JHNFs，ZnO / ZFO-2 JHNFs，ZnO / ZFO-3 JHNFs和ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的紫外可見光譜，（b）熒光光譜和（c）光電流。

圖7.（a）MB的自降解（上圖）和MB在不同樣品上的吸附曲線（下圖）。 （b）可見光下的MB降解曲線，以及（c）不同樣品上的相應動力學線性擬合曲線。 （d）在存在不同清除劑的情況下，ZnO / ZFO-2 JHNFs上的MB降解。

圖8.（a）可見光下能帶圖中的電荷分離過程。 （b）可見光下ZnO / ZFO JHNFs的橫截面。 （c）ZnO / ZFO JHNFs中的電荷分離和載流子傳輸。 （d）ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs中Al2O3中間層的阻擋作用。 （e）能帶圖中ZnO / ZFO MHNFs的界面復合。 （f）可見光下ZnO / ZFO MHNFs的橫截面。

圖9.（a）ZnO / ZFO MHNFs的SEM圖像，（b）光電流，（c）光催化測試，以及（d）不同樣品的計算kapp值。

圖10.（a）在室溫下測量的ZFO HNFs和ZnO / ZFO-2 JHNFs的磁化曲線。左上插圖：在零場附近放大的曲線。右下插圖：光催化反應后具有ZnO / ZFO-2 JHNFs的溶液的沉降和磁分離照片。 （b）五個循環的ZnO / ZFO-2 JHNFs的光催化測試。