DOI: 10.1021/acsanm.9b00838
研究者设计并可控制地制备了具有新型Janus中空纳米纤维(ZnO / ZFO JHNFs)结构的ZnO / ZnFe2O4作为有效的光催化剂。首先,通过电纺丝技术制备了Fe(NO3)3 / Zn(NO3)2 / PVP复合纳米纤维。接下来,通过原子层沉积(ALD)方法将ZnO层逐层沉积在上述纳米纤维上,从而形成Fe(NO3)3 / Zn(NO3)2 / PVP @ ZnO纳米纤维。然后,煅烧后得到具有均匀异质结构分布的ZnO / ZFO JHNFs。通过调节ZnO层的ALD循环数,可以控制Janus结构中ZnO与ZnFe2O4的比例,从而影响内部电场。 Janus中空结构可以有效分离光生载流子,以及表面还原和氧化过程。对于亚甲蓝在可见光下的降解,ZnO/ZFO JHNFs的表观一阶速率常数(kapp)比具有随机分布异质结的电纺ZnO/ZnFe2O4纳米纤维和纯ZnFe2O4中空纳米纤维(ZFO-HNFs)的表观一阶速率常数(kapp)分别大2和17倍左右。实验还研究了Janus异质结的影响,用Al2O3作为ZnFe2O4与ZnO之间的阻挡层,形成了具有三明治结构的ZnO/Al2O3/ZnFe Fe2O4中空纳米纤维(ZnO/Al2O3/ZFO SHNFs)。ZnO/Al2O3/ZFO SHNFs的kapp仅为ZnO/ZFO JHNFs的1/12,略高于ZFO-HNFs,这说明Janus异质结中的电子转移过程是提高光催化性能的关键。此外,由于ZnFe2O4的铁磁性,在光催化实验后,ZnO/ZFO JHNFs在磁场下易于分离。ZnO/ZFO JHNFs具有良好的太阳光利用率和磁分离能力,在环境恢复和能量转换领域具有广阔的应用前景。此外,基于氧化物的Janus异质结可以为设计新型高效光催化剂提供新的思路。
图1.(a)ZnO / ZFO-1 JHNFs,(b)ZnO / ZFO-2 JHNFs,(c)ZnO / ZFO-3 JHNFs和(d)ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的SEM图像。
图2.(a),(b)ZnO / ZFO-2 JHNFs的TEM图像,(c),(d)ZnO / ZFO-2 JHNFs的HRTEM图像。 (f)Zn,(g)O和(h)Fe的映射图像。
图3.(a)ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的TEM图像。 (b)ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的元素分布曲线。 (c)Zn,(d)O,(e)Fe和(f)Al的映射图像。
图4. ZnO / ZFO-1 JHNFs,ZnO / ZFO-2 JHNFs,ZnO / ZFO-3 JHNFs和ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的XRD图。
图5.(a)XPS完全扫描光谱和(b)Zn 2p,(c)O 1s和(d)Fe 2p的高分辨率XPS光谱。
图6.(a)ZnO HNFs,ZFO HNFs,ZnO / ZFO-1 JHNFs,ZnO / ZFO-2 JHNFs,ZnO / ZFO-3 JHNFs和ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs的紫外可见光谱,(b)荧光光谱和(c)光电流。
图7.(a)MB的自降解(上图)和MB在不同样品上的吸附曲线(下图)。 (b)可见光下的MB降解曲线,以及(c)不同样品上的相应动力学线性拟合曲线。 (d)在存在不同清除剂的情况下,ZnO / ZFO-2 JHNFs上的MB降解。
图8.(a)可见光下能带图中的电荷分离过程。 (b)可见光下ZnO / ZFO JHNFs的横截面。 (c)ZnO / ZFO JHNFs中的电荷分离和载流子传输。 (d)ZnO / Al2O3 / ZFO SHNFs中Al2O3中间层的阻挡作用。 (e)能带图中ZnO / ZFO MHNFs的界面复合。 (f)可见光下ZnO / ZFO MHNFs的横截面。
图9.(a)ZnO / ZFO MHNFs的SEM图像,(b)光电流,(c)光催化测试,以及(d)不同样品的计算kapp值。
图10.(a)在室温下测量的ZFO HNFs和ZnO / ZFO-2 JHNFs的磁化曲线。左上插图:在零场附近放大的曲线。右下插图:光催化反应后具有ZnO / ZFO-2 JHNFs的溶液的沉降和磁分离照片。 (b)五个循环的ZnO / ZFO-2 JHNFs的光催化测试。