水熱法制備ZnO帶/ZnO線復(fù)合結(jié)構(gòu)以及光催化性質(zhì)研究

曲銘鐳

(吉林化工學(xué)院 理學(xué)院，吉林 吉林 132022)

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水熱法制備ZnO帶/ZnO線復(fù)合結(jié)構(gòu)以及光催化性質(zhì)研究

曲銘鐳

(吉林化工學(xué)院 理學(xué)院，吉林 吉林 132022)

摘要：通過(guò)水熱法制備ZnO納米帶，再通過(guò)二次生長(zhǎng)的方法在ZnO納米線上制備ZnO納米線.通過(guò)掃描電鏡、X射線衍射、光致發(fā)光等測(cè)試手段對(duì)樣品的形貌、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征.研究在二次生長(zhǎng)前后光催化活性的變化，結(jié)果表明，ZnO帶/ZnO線復(fù)合材料對(duì)甲基橙降解效果有明顯的提高.

關(guān)鍵詞：水熱法；ZnO；二次生長(zhǎng)；光催化

目前眾多污染當(dāng)中水污染尤為嚴(yán)重，也是影響人類健康的最重要的污染[1].利用光催化技術(shù)降解污染物以其室溫溫度反應(yīng)和可直接利用太陽(yáng)能作為光源來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)等獨(dú)特性能，已經(jīng)成為一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù).半導(dǎo)體光催化技術(shù)是以半導(dǎo)體材料為催化劑的光催化技術(shù)，其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，使用范圍廣泛，無(wú)毒無(wú)害，不造成二次污染，是目前解決水中有機(jī)污染的新型綠色技術(shù).[2-6]

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　ZnO帶/ZnO線復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品制備

用六次甲基四胺(HMT)、乙酸鋅和尿素作為反應(yīng)源.利用水熱法制備ZnO納米帶，反應(yīng)時(shí)間為6個(gè)小時(shí).制備好的樣品分別在300 ℃、500 ℃、700 ℃下退火.用水熱法在已經(jīng)退火的樣品上二次生長(zhǎng)ZnO納米線，選擇乙酸鋅和六次甲基四胺作為反應(yīng)源，將已經(jīng)制備好的ZnO納米帶樣品放在聚四氟乙烯內(nèi)膽底部，將配制好的溶液倒入聚四氟乙烯內(nèi)膽內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間為6個(gè)小時(shí).

1.2　光催化活性測(cè)試

以甲基橙降解為模型反應(yīng).將已樣品放在石英比色皿底部，正面朝上.取濃度為2.5 mg/L的甲基橙溶液3 mL倒入石英比色皿中，將石英比色皿放入光催化反應(yīng)箱中的紫外燈正下方，利用兩個(gè)365 nm (紫外光)8 W熒光燈源照射，燈與反應(yīng)器底部距離為40 mm，確保溶液被完全照射.每隔半個(gè)小時(shí)時(shí)間取出石英比色皿，進(jìn)行可見(jiàn)紫外吸收測(cè)試[7].

2結(jié)果與討論

2.1　樣品的表征

圖1為ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的形貌變化通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行表征.圖1(d)、(e)、(f)分別表示在300 ℃、500 ℃、700 ℃退火下的樣品進(jìn)行二次生長(zhǎng)ZnO納米線的復(fù)合結(jié)構(gòu).有圖可見(jiàn)，(d)、(e)、(f)都有納米線存在，(d)ZnO納米帶表面上分布許多納米顆粒，這是由于納米線很短，只是在ZnO納米帶表面生長(zhǎng)；(e)在ZnO納米帶側(cè)邊生長(zhǎng)出ZnO納米線但是并是不很長(zhǎng)，長(zhǎng)度大約為200 nm左右；(f)在ZnO納米帶側(cè)邊生長(zhǎng)出很長(zhǎng)的ZnO納米線長(zhǎng)度大約為1 μm.有圖可知，隨著退火溫度的升高，二次生長(zhǎng)ZnO納米線的長(zhǎng)度在不斷增加.

(a) 300 ℃ 下退火的ZnO納米帶SEM圖

(b) 500 ℃ 下退火的ZnO納米帶SEM圖

(c) 700 ℃ 下退火的ZnO納米帶SEM圖

(d) 300 ℃ 溫度退火后二次生長(zhǎng)納米線SEM圖

(e) 500 ℃ 溫度退火后二次生長(zhǎng)納米線SEM圖

(d) 700 ℃ 溫度退火后二次生長(zhǎng)納米線SEM圖圖1　ZnO納米帶不同溫度退火與相應(yīng)二次生長(zhǎng)納米線的SEM圖

圖2為室溫下ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)PL圖，選擇激發(fā)源為He-Cd激光器325 μm激光，對(duì)不同退火溫度的ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線進(jìn)行測(cè)試.圖2為室溫下ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)光致發(fā)光圖譜.如圖2所示300 ℃退火的樣品紫外發(fā)射峰在392 nm處， 并且在510 nm處出現(xiàn)一個(gè)寬帶發(fā)射，這個(gè)寬帶發(fā)射是由于表面缺陷(例如表面氧缺陷和鋅缺陷)和表面態(tài)[8]引起的.觀察圖2可知隨著退火溫度的升高紫外發(fā)射峰發(fā)生了藍(lán)移，而且可見(jiàn)特征峰逐漸減小，由此可知隨著退火溫度的升高ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線樣品的光電性能發(fā)生了改變，紫外發(fā)射峰發(fā)生藍(lán)移主要是因?yàn)楸砻娉叽缧?yīng)引起的，而且可以看出樣品的晶體質(zhì)量逐漸變好.

Wavelength/nm圖2　室溫下ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)PL圖

2.2　樣品的光催化活性

圖3為ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)光催化降解甲基橙的降解率曲線，如圖可見(jiàn)，未經(jīng)過(guò)處理的純ZnO納米帶樣品的光催化活性很低，兩個(gè)小時(shí)大概在3.2%左右.而經(jīng)過(guò)退火后二次生長(zhǎng)ZnO納米線的樣品的光催化活性有了明顯的提高，最高的退火500 ℃的樣品能夠達(dá)到17.6%，這是由于通過(guò)退火處理之后二次生長(zhǎng)的樣品與純ZnO納米帶樣品相比較，比表面積增加了很多[8-9]，增加比表面積可以使溶液中的有機(jī)物與光催化劑接觸面積更大，進(jìn)而能夠有效的促進(jìn)光催化性能[10].在圖3中可以看出退火500 ℃樣品的紫外放光峰值時(shí)最低的，由此可知在500 ℃的樣品中電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率比300 ℃與700 ℃都要低，電子-空穴對(duì)復(fù)合幾率低就可以有效延長(zhǎng)電子-空穴對(duì)的壽命，對(duì)光催化效果也起到積極的作用，圖3中甲基橙降解率曲線也驗(yàn)證了這一點(diǎn).

t/h圖3　ZnO納米帶二次生長(zhǎng)ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)光催化降解甲基橙的降解率曲線

3結(jié)論

本文介紹了利用二次生長(zhǎng)的方法制備出ZnO納米帶/ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)，用SEM、PL對(duì)ZnO納米帶/ZnO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物性研究，最后利用甲基橙作為有機(jī)污染物模板，進(jìn)行了光催化降解測(cè)試.結(jié)果表面，二次生長(zhǎng)ZnO納米線的樣品與純ZnO納米帶光催化活性有著明顯的提高，其中經(jīng)過(guò)500 ℃退火的樣品光催化效果最好.這是因?yàn)?00 ℃退火的樣品擁有更大的比表面積，而且通過(guò)PL圖譜也可以觀察到500 ℃退火的樣品電子空穴復(fù)合幾率最低，能夠促進(jìn)光催化活性.

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Fabriication and Photocatalytic Properties of ZnO Nanobelt /ZnO

Nanowire Composite Structrue by Hydrothermal Process

Qu Ming-lei

(School of Science，Jilin Institute of Chemical Techhnology，Jilin city 132022)

Abstract:A sample hydrothermal process is proposed for the fabrication of ZnO nanobelt，Through secondary growth in preparation of ZnO nanowire on the ZnO nanobelt，The as-grown samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction(XRD) and photoluminescence (PL).We reserch the influence of diauxic growth on the photocatalytic activity of ZnO nanobelts,The tesults turn out that， the photocatalytic activity of ZnO nanobelt /ZnO nanowire composite structrue is enhanced.

Key words:hydrothermal；ZnO；secondary growth；photocatalysis

文章編號(hào)：1007-2853(2015)11-0090-04

作者簡(jiǎn)介：吳迪(1959-)，男，吉林長(zhǎng)春人，吉林化工學(xué)院副教授，主要從事數(shù)學(xué)、教育教學(xué)管理等方面的研究.

收稿日期：2015-07-03

中圖分類號(hào)：O 469

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.022