综述：纳米金属氧化物及其纳米复合材料在染料光催化降解中的研究综述

这篇综述系统探讨了纳米金属氧化物（如TiO2 、ZnO、CeO2 ）及其稀土掺杂复合材料在光催化降解有机染料中的应用，重点分析了通过掺杂（doping）、异质结（heterojunction）和核壳结构（core-shell）等策略提升材料的光吸收效率与载流子分离能力，为废水处理提供了可持续解决方案。

摘要

水污染因工业化和城市化加剧成为全球性挑战，有机染料和重金属等污染物严重威胁水质。金属氧化物半导体（如TiO₂
、ZnO）因其光催化性能备受关注，但宽禁带（wide band gap）和电子-空穴对（e⁻
/h⁺
）快速复合限制了效率。稀土掺杂（rare-earth doping）和纳米复合材料通过4f轨道电子调控显著提升了催化活性，为规模化应用提供了新思路。

引言

工业废水中的染料（如罗丹明B、4-硝基酚）和抗生素难以降解，传统方法如吸附和膜分离存在二次污染风险。光催化技术利用半导体（semiconductor）在光照下产生活性氧物种（ROS），如羟基自由基（•OH）和超氧阴离子（O₂
^•−
），可高效矿化污染物。

合成方法

溶胶-凝胶法（Sol-gel）：以La³⁺掺杂TiO₂
为例，前驱体水解后煅烧获得高纯度纳米颗粒。
水热法（Hydrothermal）：高压条件下合成稀土掺杂ZnO，增强甲基蓝降解率。
石墨烯复合：石墨烯（graphene）的导电性抑制载流子复合，其表面官能团促进污染物吸附。

光催化机制

光激发半导体产生e⁻
/h⁺
对，e⁻
还原O₂
生成O₂
^•−
，h⁺
氧化H₂
O生成•OH。稀土元素（如La、Nd）的4f轨道延长载流子寿命，而核壳结构（如TiO₂
@CeO₂
）通过界面电场促进电荷分离。

应用挑战

毒性：纳米颗粒可能影响水生生物。
规模化：固定化技术（如负载于玻璃基板）可解决回收难题。
成本：稀土元素的高价格需通过替代掺杂（如过渡金属Fe、Cu）优化。

未来展望

开发可见光响应材料（如窄带隙SnO₂
）和智能反应器设计是研究方向，同时需评估全生命周期环境影响。

（注：全文严格基于原文内容缩编，未新增观点。）