【应用分享】快速焦耳热制备高效ZnO:CuO光催化复合材料-天津中环电炉股份有限公司

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【应用分享】快速焦耳热制备高效ZnO:CuO光催化复合材料

该研究为快速制备高效、可回收的氧化物复合光催化剂提供了新思路，并揭示了电偶腐蚀与光催化的协同机制。

2026-10-10

DOI：10.3390/ma17143502

研究背景

过渡金属氧化物(TMOs)因导电、磁性、发光等特性，在多功能系统中应用广泛。其中，纳米结构（如纳米线）具有高表面体积比，在气敏和光催化等领域效率更高。光催化在水污染治理中扮演核心角色，可降解纺织、皮革、造纸、印染等行业排放的有机染料。其原理是半导体吸收光能后，电子从价带VB跃迁至导带CB，产生电子-空穴对。这些载流子可还原或氧化吸附在催化剂表面的分子(如偶氮染料)，最终生成CO₂、H₂O和简单无机酸。TMOs的催化活性主要来源于：氧化H₂O生成OH^-自由基，以及还原O₂生成O^₂⁻自由基。

改进策略包括表面敏化或与窄带隙材料耦合、能带工程掺杂以及构建ZnO/CuO等异质结以拓宽光吸收并抑制载流子复合；现有CVD、VLS等方法耗时昂贵，而焦耳热法通过金属丝通电自热氧化形成金属/氧化物核壳结构，仅需数秒即可完成，快速廉价；本文即利用焦耳热法快速制备ZnO、CuO及其复合材料，研究其光催化降解罗丹明B的性能，并探索电偶腐蚀对光催化的增强作用。

研究方法

一、实验方法

◆ 前驱体：Zn 丝(直径 0.25 mm,纯度 99.99%)和Cu丝(直径0.2mm，纯度 99.9%)。

◆ 装置：取约 7 cm长的金属丝，两端接金属电极，通电流。电流源提供电流，

金属丝在空气中氧化。

◆ 三组样品：

1) SW单丝：单独氧化 Cu 丝和 Zn 丝，形成 Zn/ZnO 和 Cu/CuO 核壳结构。

2) IW浸入丝：Zn丝浸入CuO 粉末中氧化；Cu丝浸入ZnO粉末中氧化。

3) BW编织丝：Cu丝和Zn丝扭在一起形成编织状，再通电流，形成Zn/ZnO、Cu/CuO及CuO/ZnO异质结。

二、表征结果

1.样品表征

（1）SW 系列（单丝）

◆ Zn 丝（SWZN）：最佳电流3.8 A，40 s。表面均匀生长ZnO纳米线，长 1–2 μm，直径数百nm。EDS确认Zn和O。截面氧化层约14 μm厚。PL/CL显示 ZnO 特征发射：近带边（NBE）380 nm，可见带~510 nm。Raman 显示ZnO特征峰 E₂(high) 571 cm⁻¹及其复制峰。

◆ Cu丝(SWCU)：最佳电流7 A，60 s。表面为亚微米晶体和CuO纳米线，长1–2 μm。Raman显示CuO 特征峰：293 cm⁻¹(Ag)、331和626 cm⁻¹(Bg)。EDS 确认Cu和O。截面氧化层约6 μm。

（2）IW系列（浸入丝）

◆ Zn 丝浸入CuO粉末（IWZN）：最佳电流4.2 A，30 s。SEM显示氧化物层中嵌入 CuO粉末微粒，纳米线密度降低，长度仅几十到几百nm。EDS和Raman 确认嵌入物为CuO，周围为ZnO。

◆ Cu丝浸入ZnO粉末（IWCU）：最佳电流10 A，120 s。SEM显示微晶结构，EDS确认ZnO粉末嵌入CuO基体。Raman除CuO峰外，出现147和221 cm⁻¹新峰，归因于Cu₂O，说明缺氧条件下部分Cu未完全氧化。

（3）BW系列（编织丝）

◆ 最佳电流9 A，60 s。SEM显示纳米线密度显著提高。EDS显示两种氧化物壳层间存在有效的交叉掺杂：Zn线中有Cu，Cu线中有Zn。此外检测到C和Al峰，来自样品台和碳胶带。这种交叉掺杂和异质结有望提升光催化性能。

焦耳热的影响

焦耳热快速生长：金属丝通电后，焦耳热使金属氧化，形成核壳结构。氧化仅需数十秒，远快于 CVD 等方法。不同电流和时间可调控氧化物形貌和厚度。

2. 光催化性能

1) SW 系列：UV+Vis 光照 6 h，SWZN 降解效率仅 12%，SWCU 仅 1.5%。

2) 复合样品（IW 和 BW）：效率明显提高。

3) IWZN：UV+Vis 36.4%，UV 21.3%，Vis 9.0%；

4) IWCU：UV+Vis 40.9%，UV 21.1%，Vis 1.5%；

5) BW：UV+Vis 40.9%，UV 32.4%，Vis 13.4%。

6) BW 系列最佳，尤其可见光下效率显著，且 UV+Vis 组合进一步提升。因此选择 BW 进行详细动力学研究。

结论

1.焦耳热法可在数十秒内快速生长均匀的金属氧化物层，方法廉价、简单、快速，且催化剂易于回收（金属丝可直接取出）。

2.ZnO/CuO复合材料在光催化中表现出色。Zn-Cu编织丝（BW）配置最佳，因其纳米结构密度高、界面交叉掺杂和异质结形成。

3.光催化测试表明，BW在UV+Vis下降解效率达40.9%，可见光下13.4%，远优于单丝样品。

4.光照下，接触的Zn-Cu编织丝促进电偶腐蚀，在Cu表面生成ZnO纳米棒，进一步提升光催化性能。电偶腐蚀后的BW在UV+Vis下效率为23%，UV下25%，可见光下8%。

5.该研究为快速制备高效、可回收的氧化物复合光催化剂提供了新思路，并揭示了电偶腐蚀与光催化的协同机制。

中环电炉焦耳热快烧炉系列

焦耳热快烧炉是一种多用途的新型快速超高温烧结设备。利用通电碳材料的焦耳加热形成高温场，获得超快升降温速率和超高烧结温度，可在数分钟内实现实现材料的快速合成和烧结，抑制低熔点组分的高温挥发，减少副反应或交叉扩散，抑制晶粒长大，并可制备复杂几何形状材料等。广泛适用于陶瓷材料、固态电解质、氧化物燃料电池材料、金属纳米催化材料、石墨烯及纳米材料、高熵合金及高熵化合物等领域。

优越性能：

▶ 先进碳质加热器：支持最高3000℃

▶ 超快升温速率：10-500℃/s

▶ 自定义程序控温