羅丹明B的ZnO膜光催化降解

摘要：采用納米ZnO膜為催化劑對(duì)羅丹明B進(jìn)行光催化降解試驗(yàn)。研究溶液pH、羅丹明B初始濃度、H2O2、膜的層數(shù)及光照時(shí)間對(duì)羅丹明B降解效果的影響，確定ZnO膜光催化降解羅丹明B的最佳參數(shù)。結(jié)果表明，酸性環(huán)境可以提高ZnO膜的光催化活性；羅丹明B初始濃度越低光降解的速度越快；H2O2可提高羅丹明B的降解速度；三層膜對(duì)羅丹明B的降解率高于單層膜的降解率。采用三層膜為催化劑，在35 mL初始濃度為5 mg/L、pH 1.46的羅丹明B溶液中加入適量的H2O2水溶液后進(jìn)行光降解，紫外光照射60 min后，羅丹明B的降解率達(dá)到99.6%。

關(guān)鍵詞：ZnO膜；光催化；降解；羅丹明B

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）14-3294-03

隨著工業(yè)化的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快推進(jìn)，排放的污水越來(lái)越多，嚴(yán)重危害著人類(lèi)的身體健康[1]，也制約著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，污水處理成為每一個(gè)地方必須解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)處理污水的方法主要有： 物理法、生物降解法及化學(xué)法，但降解效果不理想。近些年發(fā)展的半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一種先進(jìn)的氧化技術(shù)[2，3]，它是將半導(dǎo)體催化劑與某些光源結(jié)合共同作用于廢水進(jìn)行催化降解，相對(duì)于傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)具有高效節(jié)能，且能徹底降解廢水中絕大部分有機(jī)物等優(yōu)點(diǎn)[4]，所以受到環(huán)境及材料研究者們的廣泛重視。據(jù)文獻(xiàn)[5，6]報(bào)道ZnO相對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料TiO2有著更高的光催化活性，其應(yīng)用研究受到普遍關(guān)注。

ZnO光催化機(jī)理為光照射時(shí)其價(jià)帶上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而形成電子-空穴對(duì)，空穴是強(qiáng)氧化劑，它能將吸附在其表面上的OH-氧化成OH·自由基，該自由基是強(qiáng)氧化劑，可以氧化相鄰的有機(jī)物且可以擴(kuò)散到液相中氧化有機(jī)物，最終將有機(jī)物氧化成CO2完成降解過(guò)程[7]。電子-空穴對(duì)在ZnO表面容易發(fā)生簡(jiǎn)單復(fù)合從而降低了ZnO的光催化性能，由于氧化劑是有效的電子俘獲劑，且能提高光催化氧化的速率和效率。鑒于此，采用納米ZnO膜為催化劑外加H2O2對(duì)羅丹明B進(jìn)行光催化降解試驗(yàn)。研究了溶液pH、羅丹明B初始濃度、H2O2、膜的層數(shù)及光照時(shí)間對(duì)羅丹明B降解效果的影響，確定ZnO膜光催化降解羅丹明B的最佳參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

醋酸鋅，南昌華通化工試劑有限公司，分析純；乙醇和鹽酸，鄭州中天實(shí)驗(yàn)儀器有限公司，分析純；羅丹明B，深圳市高山化工有限公司，分析純；去離子水，自制。721型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 ZnO膜的制備

采用文獻(xiàn)[8，9]的方法制備ZnO溶膠。將ZnO膠體澆鑄到預(yù)先洗凈的載玻片上，通過(guò)自然延流形成一層膜，在烘箱中于90 ℃烘10 min后可制備出不同層數(shù)的ZnO膜。將ZnO膜在300 ℃焙燒2 h待用。

2.1 羅丹明B初始濃度對(duì)其降解率的影響

在相同條件下，對(duì)不同濃度的羅丹明B進(jìn)行光催化降解，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，羅丹明B初始濃度為5 mg/L時(shí)的降解率高于初始濃度為12.5 mg/L時(shí)的降解率。這是因?yàn)榇呋瘎┑奈侥芰τ邢?，?dāng)催化劑對(duì)羅丹明B的吸附達(dá)到飽和時(shí)，過(guò)量的羅丹明B分子游離于溶液中，無(wú)法與催化劑接觸，同時(shí)由于羅丹明B是有色溶液，過(guò)高的濃度阻擋了入射光的透過(guò)，從而減小催化劑對(duì)紫外光的吸收，進(jìn)而影響光生電子-空穴對(duì)的數(shù)量，這兩種因素共同導(dǎo)致高濃度時(shí)的降解率低于低濃度時(shí)的降解率。

2.2 ZnO膜層數(shù)對(duì)羅丹明B降解率的影響

采用在相同條件下處理的ZnO單層膜與三層膜對(duì)初始濃度為5 mg/L的羅丹明B進(jìn)行光降解，研究催化劑用量對(duì)羅丹明B降解率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，三層膜時(shí)的降解率大于單層膜時(shí)的降解率。這可能是因?yàn)閱螌幽ぴ诒簾倪^(guò)程中變成了類(lèi)似蜂窩狀的膜，孔洞的位置沒(méi)有ZnO，致使實(shí)際膜的面積減小，因此，催化劑與羅丹明B的接觸面積也隨之減小，進(jìn)而影響了催化劑對(duì)羅丹明B分子的吸附；而三層膜在焙燒膜變的不均勻的情況下，但仍覆蓋了整個(gè)玻璃基底，因此三層膜對(duì)羅丹明B的吸附能力大于單層膜，故三層膜對(duì)羅丹明B的降解率高于單層膜對(duì)其的降解率。

2.3 pH對(duì)羅丹明B降解率的影響

羅丹明B溶液的pH采用HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)，光催化性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，溶液的pH對(duì)羅丹明B的降解率由高到低為酸性、中性、堿性。這是因?yàn)榧尤氲饺芤褐械腍+或OH-可以改變催化劑表面的電荷特性和吸附性能及被降解物的存在形式[10]，進(jìn)而影響催化劑的活性。當(dāng)溶液中有大量H+存在時(shí)，基底上的ZnO帶正電，促使光生電子向ZnO膜遷移，而光生空穴則與水中的羥基結(jié)合生成具有強(qiáng)氧化作用的羥基自由基，從而提高催化劑的活性；當(dāng)溶液中有大量OH-存在時(shí)，ZnO表面帶負(fù)電，由于羅丹明B本身帶正電，堿性環(huán)境雖提高了催化劑對(duì)羅丹明B分子的吸附能力，但是帶負(fù)電的ZnO層會(huì)吸附光生空穴，減少了溶液中羥基自由基的密度，因此，堿性環(huán)境中反而不利于提高催化劑的活性。

2.4 H2O2對(duì)羅丹明B降解率的影響

為了研究H2O2對(duì)羅丹明B降解率的影響，圖4給出了有H2O2及無(wú)H2O2時(shí)羅丹明B的降解率隨光照時(shí)間的變化而變化的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖4可以看出，H2O2加快了羅丹明B的降解速度，這是因?yàn)镠2O2與水中的OH-結(jié)合生成具有強(qiáng)氧化作用的羥基自由基，而羥基自由基具有強(qiáng)氧化作用，能將溶液中的羅丹明B分子氧化分解，從而提高了催化劑對(duì)羅丹明B的降解率。

2.5 光照時(shí)間對(duì)羅丹明B降解率的影響

向35 mL初始濃度為5 mg/L、pH 1.46的羅丹明B溶液中加入適量的H2O2水溶液，紫外光照射下測(cè)定光照時(shí)間對(duì)羅丹明B降解率的影響曲線(xiàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，羅丹明B的降解曲線(xiàn)在光照的初始階段變化較快，隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)，曲線(xiàn)變得越來(lái)越平緩。當(dāng)光照60 min時(shí)羅丹明B的降解率達(dá)到99.6%。

3 結(jié)論

ZnO膜對(duì)羅丹明B光降解結(jié)果表明，羅丹明B初始濃度、膜的層數(shù)、pH、H2O2及光照時(shí)間對(duì)羅丹明B的降解率均有一定程度的影響。在紫外光的照射下，采用ZnO三層膜為催化劑，羅丹明B初始濃度為5 mg/L、pH 1.46時(shí)對(duì)羅丹明B進(jìn)行光降解，60 min后其降解率達(dá)到99.6%。

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