ZnO/CoO-CuO復(fù)合材料的制備及光催化性能

韓夢靈 郭艷華 劉延湘(江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

ZnO/CoO-CuO復(fù)合材料的制備及光催化性能

韓夢靈 郭艷華 劉延湘(江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

本實驗以硫酸鋅、氯化鈷、氯化銅、尿素等為原料，制備了ZnO/CuO-CoO三元復(fù)合材料，并用SEM、IR光譜對復(fù)合材料進(jìn)行了表征，且對復(fù)合材料光催化性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：ZnO/CoO-CuO復(fù)合材料為納米級到微米級粒子；PVP改性的復(fù)合材料的光催化性能最好。

過渡元素形成的復(fù)合材料可以廣泛應(yīng)用于橡膠添加劑、新能源材料及光催化材料，因此成為相關(guān)領(lǐng)域研究的熱門課題。光催化是環(huán)境解毒的有效方法，能夠?qū)⒂卸竞蜕锊豢山到獾挠袡C(jī)化合物轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和無機(jī)鹽。因毒性低、化學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性以及光催化效率高等優(yōu)點，氧化鋅是太陽能轉(zhuǎn)換與染料和有機(jī)污染物處理中最有前景的光催化劑之一。為了更好增強(qiáng)ZnO的光催化性能，通常在ZnO中摻雜其它金屬元素，制備的方法多樣。本論文采用共沉淀法制備不同摻雜濃度，并用乙烯吡咯烷酮改性制備的ZnO∕CoO-CuO納米粉體，然后將優(yōu)選產(chǎn)品進(jìn)行表征，測定其光催化活性。此方法具有設(shè)備要求低、工藝相對簡單、成本較低、易批量生產(chǎn)、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點。

1 實驗材料

1.1 主要試劑

氯化鈷；氯化銅；硫酸鋅；無水乙醇；尿素；聚乙烯吡咯烷酮；甲基橙。

1.2 主要儀器

DF110型電子分析天平；智能控溫油水浴鍋；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵；KQ-250型超聲波清洗器；202OAB型電熱恒溫干燥箱；掃描電子顯微鏡；光化學(xué)反應(yīng)儀XPA系列。

2 實驗方法

2.1 ZnO/CoO-CuO復(fù)合材料的制備

采用均勻共沉淀法制備ZnO∕CoO-CuO納米粉體。設(shè)計先按組成Zn1-x-yCoxCuyO計算不同x、y時分析純的硫酸鋅、氯化鈷、氯化銅所需的質(zhì)量，按每組不同的質(zhì)量比進(jìn)行混合均勻，加入等質(zhì)量的尿素，溶液置于水浴鍋中攪拌，向溶液中逐滴滴加尿素并攪拌，使金屬鹽溶液在尿素環(huán)境中均勻形成沉淀，冷卻，抽濾，得到前驅(qū)物。干燥后，煅燒得到不同組成的ZnO∕CoO-CuO復(fù)合材料，同樣方法制備出純ZnO粉體，將以上材料進(jìn)行光催化性能初步探討，選擇較佳性能的材料進(jìn)行改性和表征。篩選出的較優(yōu)性能的Zn0.9Co0.09Cu0.01O，Zn0.95Co0.04Cu0.01O材料進(jìn)行表征，然后用上述相同方法，其中加入8mg聚乙烯吡咯烷酮對Zn0.95Co0.09Cu0.01O進(jìn)行表面改性，得到改性的復(fù)合材料，對比CoO、CuO按同樣方法得到。然后將改性前后的材料進(jìn)行形貌和光催化性能測定。

2.2 材料表征

紅外光譜（IR）表征：取樣品于研缽中，加KBr粉末，在紅外燈下將產(chǎn)品研磨成粉末，移入壓片模中，加壓，得到半透明鹽片，進(jìn)行紅外光譜測定。

掃描電子顯微鏡（SEM）表征：取適量樣品放入試管中，以無水乙醇為溶劑，先放入超聲分散器中超聲分散，然后取一滴滴于玻璃片上，烘干，制樣完成后，用掃描電子顯微鏡觀察樣品的形態(tài)。

2.3 光催化降解甲基橙的性能測試

本實驗是探討不同用量、不同時間的較佳產(chǎn)品的光催化降解甲基橙的性能。在不同光催化時間下，分別稱取適量產(chǎn)品，加到甲基橙溶液中，經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)儀（汞燈控制器）下光照不同時間，取適量溶液離心分離，在一定吸收波長下測上層清液的吸光度At。

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外光譜表征結(jié)果

根據(jù)操作步驟2.2得到樣品的紅外吸收光譜的主要峰值如表1.

表1 各樣品紅外吸收峰的主要峰值

由表1看出：在1430 cm-1左右的紅外吸收峰是Zn-O的振動吸收峰，在460.57 cm-1的左右的紅外吸收峰是Zn-O本征晶格吸收峰，所有樣品的這兩個吸收峰都很強(qiáng)。在1140 cm-1左右的紅外吸收峰是C-O鍵的振動吸收峰,即空氣中CO2或材料表面遺留的尿素中C-O鍵的振動吸收峰。在3612 cm-1，2350 cm-1左右的紅外吸收峰是H-O鍵的振動吸收峰，即空氣中水分子的紅外吸收峰。在830cm-1左右的紅外吸收峰是Cu-O振動吸收峰，在660cm-1左右的紅外吸收峰是Co-O振動吸收峰，這兩個吸收峰比較弱，因為摻雜的量很少，但足以充分說明ZnO中已成功摻雜了CoO和CuO了。復(fù)合材料b、c、d的波峰數(shù)均大于樣品a的波峰數(shù)，均發(fā)生了不同程度的藍(lán)移，這是由于樣品的量子尺寸效應(yīng),量子尺寸效應(yīng)帶來的能級改變和能隙變寬,使微粒的發(fā)射能量增加,光學(xué)吸收發(fā)生不同程度的移動。

3.2 電鏡表征結(jié)果

由電鏡圖表明：按純ZnO、Zn0.9Co0.09Cu0.01O、Zn0.95Co0.04Cu0.01O、PVP改性的Zn0.95Co0.09Cu0.01O順序粒子逐漸減小，顆粒大小從微米級到納米級；產(chǎn)品形狀為細(xì)圓柱狀，當(dāng)鈷的摻雜量增加時，形狀接近于針狀。而經(jīng)PVP改性的Zn0.9Co0.09Cu0.01O的形貌圖中，團(tuán)聚現(xiàn)象有所改善，粒子減小。

3.3 光催化降解甲基橙

由表2看出，復(fù)合材料光催化的分解率都高于純ZnO。在復(fù)合材料中，鈷的含量越低，催化甲基橙的分解率越高；當(dāng)光照時間增長，催化甲基橙的分解率也越高；PVP改性的ZnO∕CoOCuO復(fù)合材料光催化甲基橙的分解率比未改性的分解率更高。其中改性的Zn0.95Co0.04Cu0.01O光催化性能最佳，當(dāng)用量為0.1g時，光照時間30min時，甲基橙的降解率達(dá)到98.48%。

表2 ZnO/CoO-CuO（0.1g）復(fù)合材料光催化甲基橙的降解

4 結(jié)語

本研究制備了ZnO∕CoO-CuO復(fù)合材料粉體，該材料具有良好的性能，粉體晶?；就暾?，粒徑小且分布較均勻，團(tuán)聚程度小。該復(fù)合材料的IR表征說明ZnO中成功摻雜了CoO-CuO；ZnO∕CoO-CuO復(fù)合材料具有良好的光催化性能，均高于純ZnO，當(dāng)光照30min時，甲基橙的分解率可以達(dá)到84.22%，而經(jīng)PVP改性的Zn0.95Co0.04Cu0.01O復(fù)合材料，當(dāng)光照30min時，甲基橙的分解率可以達(dá)到98.48%。

國家自然科學(xué)基項目：(No.201477091)；江漢大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新課題：(2015yb239)

韓夢靈，本科生，主要從事功能材料研究。

＊通訊作者：郭艷華(1960-)，女，教授。