尖晶石型金属氧化物的制备及光催化有机污染物降解:综述

孙宇杰¹，刘玉芹¹，徐芬²，孙立贤²

1. 中国地质大学(北京)材料科学与工程学院2. 桂林电子科技大学材料科学与工程学院广西电子信息材料重点实验室广西新能源材料结构与性能协同创新中心

摘 要：有机染料已成为当今水质污染的重要来源,而大多有机染料对光稳定、不易降解,因此,利用光催化技术解决水源污染问题是目前研究的热点。尖晶石型金属氧化物半导体材料被证明是一种能有效利用太阳光催化降解有机污染物的催化剂。尖晶石型金属氧化物具有禁带较窄、可吸收可见光的特点。它们在光的照射下能激发产生电子和空穴,实现对有机染料的催化降解。如何调控尖晶石型金属氧化物的光催化性能,是当今国内外学者的研究重点。众多研究表明,影响尖晶石型金属氧化物催化性能的主要因素包括以下三个方面:（1）制备方法。其制备方法繁多,如热处理法（包括热分解）、水热-溶剂热法、溶胶-凝胶法、微波法、自燃烧法、共沉淀法、固态合成法、静电纺丝法等。制备方法不同可影响所制备材料的形貌、表面积、颗粒尺寸及禁带宽度等,从而影响材料的光催化性能。如对于ZnAl₂O₄,采用共沉淀法得到的材料的表面积为94.4 m²/g,而采用微波-水热法得到的材料的表面积大幅提高到279.7 m²/g;又如,采用金属硝酸盐和金属氯化物所制备的尖晶石型NiFe₂O₄的禁带宽度不同,分别为2.7 e V和1.6～1.8 e V。（2）掺杂第三种金属。对于禁带较宽的尖晶石型金属氧化物,可通过掺杂第三种金属来降低其禁带宽度。如金属Mg的掺杂使CoFe₂O₄的禁带宽度由2.4 e V降至1.8 e V,Ce³⁺的掺杂可使ZnAl₂O₄的禁带宽度由3.8 e V降至2.8 e V,少量Bi的掺杂可使CoFe₂O₄的禁带宽度由1.4 e V降至1.3 e V。（3）光生电子和空穴的有效分离。光催化剂的活性取决于光生电子或空穴的有效量。为改善尖晶石型光催化剂的光催化活性,可通过掺杂导电性的材料（如石墨烯）或具有合适电位的金属氧化物（如Zn O）、限域等办法实现光生电子和空穴的有效分离,降低二者的复合率,从而提高催化剂的催化活性。目前报道的尖晶石型金属氧化物的种类很多,本文按金属酸根对其进行了分类,分别对尖晶石型铁酸盐、铝酸盐等材料的制备及光催化有机染料的降解机理进行了分析与总结,期望对开发新型的、具有优良催化性能的尖晶石型光催化剂提供一定的指导。

关键词：尖晶石型金属氧化物;光催化剂;有机染料;光降解;