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覃爱苗课题组Nano Energy：CdSe/TiO2 纳米线阵列异质结增强混合有机污染物的自驱动光电催化降解

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-06 09:29

正文

▲第一作者：张依洁

共同通讯作者：覃爱苗、廖雷

通讯单位：桂林理工大学

论文DOI：10.1016/j.nanoen.2025.110762 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

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通过 SILAR 法在 TiO₂ 纳米线阵列（ TNWAs ）上原位生长 CdSe 纳米粒子，形成的 CdSe/TNWAs 异质结有效提升了 TNWAs 薄膜的光电化学性能。基于此薄膜光电极组装的滚动独立层式摩擦纳米发电机（ RFTENG ）可用于光电催化降解混合有机污染物，降解速率快、装置稳定性良好。 TENG 与光催化剂的结合不仅提升了降解效率且降低了能耗。

背景介绍

在工业蓬勃发展的当下，大量难以降解的物质随着工业废水排入水体，对生态环境造成了严重威胁。其中，混合污染物由于成分复杂，其降解难度远超单一污染物，成为水污染治理领域的棘手难题。近十年来，光电催化技术凭借其独特优势发展迅猛，为水污染治理带来了新的希望。然而，目前针对混合污染物降解的研究仍处于起步阶段，相关成果十分有限。自 2012 年王中林院士团队发明 TENG 以来，凭借其体积小、制备简单、能量采集不受时空限制等特点，迅速在多个领域崭露头角，并逐步参与到水污染的光电催化降解进程中。此前，本课题组基于 TiO₂ 纳米线阵列（ TNWAs ）薄膜构建的 TENG 光电降解系统，在单一污染物降解方面取得了一定成效。但纯 TiO₂ 作为宽带隙半导体，存在吸收带隙宽、光谱响应范围窄以及光生载流子易复合等问题，限制了其进一步应用。研究发现， CdSe 与宽带隙半导体复合形成异质结后，能够有效改善这些问题。在这样的背景下，本文创新性地提出基于 CdSe/TNWAs 的自驱动光电催化协同降解系统，致力于攻克混合有机污染物的降解难题。这一研究成果不仅为光催化剂的设计与研发开拓了新思路，也为混合污染物的高效去除提供了全新的解决方案，有望在水污染治理领域发挥重要作用。

本文亮点

通过 SILAR 方法在高纵横比 TiO₂ 纳米线阵列 (TNWAs) 薄膜上沉积 CdSe ，获得了具有更好 PEC 性能的 CdSe/TNWAs 异质结。基于 CdSe/TNWAs 光电极制备了一种用于混合有机污染物的滚动独立层式摩擦纳米发电机（ RFTENG ）。该系统用于降解混合有机污染物时，展现出降解效果好、稳定性好、能耗低等优点。此外，本文还讨论了光电催化增强降解机理，提出了结合 TENG 和异质结光催化剂的协同增强光电催化的策略。

图文解析

图 1 展示了 TNWAs 和 CdSe/TNWAs 的表面以及截面形貌图。由图 1(a ₁ -a ₃ ) 可以观察到水热法制备的 TNWAs 中 TiO ₂ 纳米线的直径大多在 15~25nm 范围内，厚度约为 8~10μm 。通过 SILAR 法将 CdSe 纳米颗粒负载于 TNWAs 上，图 1(b ₁ - b ₂ ) 表明适量 CdSe 纳米粒子均匀分布于 TiO ₂ 纳米线上，纳米线阵列形貌保持良好。

图 1 SEM 表面以及截面图： (a ₁ -a ₃ ) TNWAs, (b ₁ -b ₃ ) CdSe/TNWAs

滚动独立层式摩擦纳米发电机 (RFTENG) 的主体是 Φ50mm×5mm×100mm 的中空亚克力圆柱体。固定摩擦层由两片 100mm×50mm×0.06mm 的双导铝箔胶带组成，薄膜固定在亚克力圆柱体的内壁上。移动摩擦层采用 δ0.05mm 的氟化乙烯丙烯共聚物 (FEP) 薄膜材料，为了增加接触压力，将其包裹在 Φ10mm×95mm 钢棒上。铝箔延伸到亚克力圆柱体的表面，连接到两片光电极的钛衬底上，以构成双光电极结构。用 Φ50mm 的亚克力圆片用于封闭亚克力圆柱体的两端，同时用硅橡胶填充其缝隙，外层涂布防水胶以实现密封。此外， RFTENG 的两端用轴承固定，亚克力圆柱体外表面的一端竖直且均匀地装配了 8 片 20mm×15mm×1mm 的翅片，其作用在于吸收水流能以使得 RFTENG 随着污水的流动而旋转。 CdSe/TNWAs 薄膜作为光电极组装在 RFTENG 表面，其结构示意图如图 2 （ a ）所示。组成了基于 RFTENG 的低频交流光电催化降解系统，用于降解混合污染物。 RFTENG 半浸没在水中，其横截面示意图如图 2 （ b ）所示。

图 2 (a) RFTENG 的结构示意图， (b) RETENG 降解废水的横截面示意图

图 3(a) 显示了 CdSe/TNWAs 中的能级跃迁路径和电荷转移示意图。 CdSe 的加入导致 TWNAs 分离的光电子寿命增加，同时电子 - 空穴对复合率降低。一部分电子将转移到 CdSe 的 VB 态，并在 CdSe 中被激发再次跃迁，这是 Type II 型异质结的特征。由于两种半导体的费米能级不同，在接触界面会形成内置电场。 CdSe 和 TNWAs 这两种半导体单元之间存在化学势的差异。这可以推动光生电子和空穴的迁移，并促进界面上有效的空间电荷再分布。这种电荷再分布可极大地促进电荷分离，从而大大提高光催化性能。在 TENG 的驱动下，电子和空穴向不同方向迁移，从而减少了载流子复合的机会。光生电子被转移到阴极，从而提高了光生电子和空穴的分离效率。 RETENG 的交流光电催化过程是增强 •OH 和 •O ₂ ^- 生成的过程。这两种自由基负责加速污染物的分解。这两种自由基是加速混合污染物分解的关键因素。混合污染物中的三种污染物在降解过程中存在竞争关系。它们各自按照特定的反应路径与生成的自由基相互作用，逐渐分解转化，最终实现对混合污染物的有效降解。其降解机理图如图 3 （ b ）所示。

图 3 （ a ） CdSe/TNWAs 的能级跃迁路径和电荷转移示意图（ b ） RETENG 光电催化降解混合污染物的机理图

总结与展望

本文以 CdSe/TNWAs 异质结柔性薄膜为光电极，组装了一个自供电光电催化系统，用于降解混合有机污染物 , 异质结的引入及光电协同效应显著提升了催化性能，为混合有机污染物的去除技术提供了新的研究视角。

作者介绍

桂林理工大学覃爱苗教授课题组依托材料科学与工程学院、 “ 有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室 ” 、 “ 广西光电材料与器件重点实验室 ” 和 “ 无机纳米粉体及应用工程研究中心 ” 开展研究工作。覃爱苗教授是博士研究生导师，广西高等学校优秀人才，桂林理工大学拔尖人才。她的研究兴趣是功能材料与器件，包括生物质碳储能材料与器件、量子点荧光探针和纳米发电机。

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