NML 研究文章 | 漂浮型ZnO光催化剂：高效处理石油污水

1  纳米线阵列被部分嵌入透明聚合物基底，由此降低了光催化过程中由于光催化结构脱落所导致的二次污染。

2  稳固的纳米线阵列可以借由压电催化特性进一步提升水处理速率。

3  漂浮型光催化平台可有效降解石油等漂浮型污染物。

目前，针对光催化水处理的研究主要基于两种平台：一种是以微纳米级粉末材料为催化剂，将其均匀分散于水中，通过大的比表面积提升催化活性。然而，粉末基平台存在回收成本高，颗粒易团聚和沉淀，以及水面处催化剂遮挡入射光从而降低整体的催化效率等问题，因此无法应用于大体系水环境的处理。

另一种是将催化材料固定，将污染的水体循环流过其表面达到降解目的。如光催化反应釜，以薄膜或微纳米阵列结构附着于特定管道中，使入射光可以完全覆盖并且激活所有催化材料，当污染水体通过管道时，催化材料会逐渐降解水中的污染成分。这种设计解决了催化材料的回收难题，并整体提升了催化效率。但大多数光催化反应釜都需借助外置能源驱动污水，使其能够接触催化剂从而进行降解，并且每单位的水体需要循环多次才能被基本清洁，极大增加了水处理成本。

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密西根州立大学Junghoon Yeom教授课题组设计了一种漂浮型光催化水处理平台。此平台的设计结合了粉末基平台与光催化反应釜的优势，不仅通过纳米线阵列获得较大的比表面积，而且漂浮的纳米阵列整体都能充分获取入射光。此外，这种自主漂浮的平台无需外置能源，随水体流动达到循环降解的目的。

当选取氧化锌材料作为催化剂时，此平台又可以充分利用其压电催化的特性，结合光催化进一步提升整体的催化效率。经测试，这种新型光催化平台可以高效处理水体中的有机污染物，并且在多次使用后继续保持催化活性。

当光催化-压电催化相结合时，整体催化效率会比单纯的光催化有大幅提升。另外，此平台还适用于目前难于处理的石油等漂浮型污染物，为大规模水体的降解处理提供了一个有效的方法。

光催化平台的制备

本文中以氧化锌为例制备光催化平台。首先通过水热法将氧化锌纳米线阵列生长于玻璃基底上，随后在其上均匀覆盖一层聚合物薄膜。

薄膜成型后，纳米线会嵌入薄膜内部。此时将薄膜与玻璃基底分离，断裂的纳米线会留在薄膜内部作为生长层，再次通过水热法会使其形成新的纳米线阵列。

图1（a-g）光催化平台的制备过程，（h）成型的光催化平台。

纳米线阵列的机械性能

光催化平台的纳米线阵列与基底具有极其稳固的连接。如图三所示，嵌入式纳米线阵列可以抵御胶带的黏附力，对于柔性基底的拉伸与折叠也不会导致嵌入式纳米线阵列的脱落，而直接生长于同样基底的纳米线阵列则不具有此类特征。

此研究不仅改进了光催化平台，也可以应用于其他基于柔性衬底的电子器件制备。

图3（a，b）纳米线的黏附力测试，（c，d）纳米线的其他机械性能测试，（e，f）SEM形貌图。

纳米线阵列的复合催化特性

借助氧化锌的压电特性与稳固的纳米线阵列结构，光催化平台可以通过纳米线自身的形变进一步增强催化的效率。

如图五所示，当纳米线由于水流阻力产生形变时，更多的电子-空穴对被激发。由此，每个纳米线的周围会产生更多的活性基团，从而增强纳米线的降解能力，提升降解效率。

通过光催化-压电催化，平台的降解效率会额外提高20%左右。漂浮型光催化平台可以有效降解漂浮型污染物。以原油为例，在一定时间内，原油内的有机成分被降解了15%左右。

图5（a，b）压电催化与光催化平台，（c，d）压电催化与光催化-压电催化对于指定有机物的降解效率，（e）光催化-压电催化特性示意图。