Fe2O3/ZnO納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其光催化性能研究

雷 銳，陳榮生，張博威，詹瑋婷，李 楊，倪紅衛(wèi)

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

Fe2O3/ZnO納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其光催化性能研究

雷 銳，陳榮生，張博威，詹瑋婷，李 楊，倪紅衛(wèi)

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

通過(guò)陽(yáng)極氧化法在純鐵片基底上生長(zhǎng)Fe2O3納米管陣列薄膜，然后采用水熱法在Fe2O3納米管陣列薄膜上負(fù)載ZnO納米棒，制得Fe2O3/ZnO復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。借助FE-SEM、XRD、TEM、UV-Vis等手段，對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間下制得的Fe2O3/ZnO復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)、物相組成及光催化性能進(jìn)行表征，重點(diǎn)考察了復(fù)合結(jié)構(gòu)的亞甲基藍(lán)可見光降解能力。結(jié)果表明，在外加電壓為55 V的條件下陽(yáng)極氧化450 s，所制備的Fe2O3納米管陣列具有高度有序、分布均勻及垂直取向的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管徑約為80 nm；在90 ℃的堿性鋅酸鹽溶液中，水熱反應(yīng)1.5 h后，制得的Fe2O3/ZnO復(fù)合材料具有最佳的光催化性能，該樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率可達(dá)85%。

Fe2O3/ZnO；納米管陣列；Fe2O3；ZnO納米棒；光催化降解；亞甲基藍(lán)

ZnO是一種新型的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60 meV[1]。由于良好的光電性能、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，ZnO在光電材料、傳感器、抗菌材料等領(lǐng)域均有廣泛用途[2-3]。但ZnO作為光電材料使用時(shí)存在一定的局限，主要表現(xiàn)在其僅能響應(yīng)波長(zhǎng)小于400 nm的紫外光，對(duì)太陽(yáng)光能量的利用率只有3%～5%，并且在紫外光輻射下光生電子與空穴容易復(fù)合，導(dǎo)致其量子效率較低[4-5]。由此可見，提高光催化效率及穩(wěn)定性是ZnO光催化劑改性的主要研究方向，而通過(guò)在ZnO材料表面復(fù)合其它金屬氧化物、沉積貴金屬及摻雜無(wú)機(jī)離子等，可以擴(kuò)展ZnO對(duì)光的響應(yīng)范圍，提高其光催化性能[6-7]。

對(duì)ZnO材料進(jìn)行過(guò)渡金屬摻雜是提高其光催化活性的常用手段，許多新型金屬氧化物如SnO2[8]、TiO2[9]、MnO2[10]、Fe2O3[11]等，已被研究報(bào)道具有良好的光催化特性。Fe2O3作為典型的n型半導(dǎo)體金屬氧化物，能帶間隙約2.2 eV，因其來(lái)源豐富、光敏性好、氧化性強(qiáng)及化學(xué)穩(wěn)定性好等，在光催化領(lǐng)域引起研究者的廣泛關(guān)注[12]。研究表明，F(xiàn)e2O3與ZnO形成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的電子遷移率和電子擴(kuò)散系數(shù)較高，有利于提高光生電子的傳輸效率，同時(shí)降低光生電子和空穴的復(fù)合幾率，且晶體缺陷的變化也使得復(fù)合材料表面性能發(fā)生改變，提高了ZnO的光催化性能[13-14]。ZnO納米結(jié)構(gòu)常見制備方法包括模板法、溶膠-凝膠法、水熱法及氣相沉積法等，其中水熱法由于設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗低、能有效控制反應(yīng)與晶體生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制備納米結(jié)構(gòu)材料。

基于此，本文采用陽(yáng)極氧化法在純鐵片襯底上生長(zhǎng)一層Fe2O3納米管陣列薄膜，然后采用水熱法在Fe2O3納米管陣列薄膜負(fù)載ZnO納米棒，通過(guò)SEM、XRD、TEM及UV-Vis對(duì)Fe2O3/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并以亞甲基藍(lán)溶液為模擬污染物，研究Fe2O3/ZnO納米結(jié)構(gòu)的可見光光催化性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與試劑

純度為99.9%的純鐵片(英國(guó)Good Fellow公司)。氟化銨、乙二醇，六水合硝酸鋅，氫氧化鈉，以上均為分析純；亞甲基藍(lán)(MB)，化學(xué)純。

1.2 樣品制備

首先，將尺寸為15 mm×15 mm×1 mm的純鐵片用600#、1000#、2000#金相砂紙依次打磨，機(jī)械拋光后，用丙酮、酒精及二次蒸餾水多次超聲清洗，氮?dú)獯蹈珊笾糜诟稍锶萜髦袀溆谩?/p>

利用陽(yáng)極氧化法在純鐵片襯底上生長(zhǎng)一層Fe2O3納米管陣列薄膜，具體步驟為：取0.6 g的NH4F于4.5 mL二次蒸餾水中，快速攪拌至完全溶解，隨后將溶液與130.5 mL乙二醇溶液充分混合，得到電解液。以石墨片為對(duì)電極，將鐵片浸沒于電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)，電解溫度控制在25 ℃，外加電壓為55 V，電解時(shí)間分別為180、300、450、600 s。將制好的樣品置于管式爐，在450 ℃空氣氣氛下保溫2 h，升、降溫速率均為5 ℃·min-1，得到Fe2O3納米管陣列(NTAs)薄膜。

用水熱法在Fe2O3納米管陣列薄膜上摻雜ZnO納米棒，具體步驟為：以0.086 mol/L六水合硝酸鋅和1 mol/L氫氧化鈉混合溶液作為前驅(qū)液，將陽(yáng)極氧化后的鐵片置于盛有50 mL上述溶液的聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜中，密封后放入90 ℃恒溫箱中分別加熱0.5～2 h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫。將所制樣品用去離子水反復(fù)沖洗，置于50 ℃干燥箱中烘干。此外，過(guò)濾反應(yīng)釜內(nèi)的前驅(qū)液，用雙蒸餾水洗滌、干燥后，得ZnO粉末，作為表征實(shí)驗(yàn)的對(duì)照樣。

1.3 結(jié)構(gòu)與性能表征

采用Nova 400 Nano型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、Oxford INCA 200型能譜儀(EDS)和JEM-2100UHRS型透射電鏡(TEM)觀察與分析樣品的表面形貌及成分；用Philips X’Pert Pro型X射線衍射儀(XRD)表征樣品的物相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶度。

1.4 光催化性能評(píng)價(jià)

利用TU-1901型紫外可見紅外分光光度計(jì)(UV-Vis)表征樣品的光催化性能。將制得的Fe2O3/ZnO樣品放入20 mL濃度為5 mg/L的MB溶液中，在暗處?kù)o置1 h，持續(xù)攪拌使其達(dá)到吸附平衡，然后以500 W短弧氙燈穩(wěn)流可見光源進(jìn)行照射，每隔30 min取樣，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)試其吸光度，根據(jù)MB的最大吸收波長(zhǎng)664 nm處的吸光度值變化來(lái)計(jì)算樣品的光催化活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的表面形貌

2.1.1 Fe2O3納米管陣列

圖1為不同陽(yáng)極氧化時(shí)間下所制Fe2O3納米管陣列的SEM照片。由圖1可見，采用陽(yáng)極氧化法在鐵片表面制得均勻分布的Fe2O3納米管陣列，管內(nèi)徑約為40～80 nm。當(dāng)陽(yáng)極氧化時(shí)間為180 s時(shí)，F(xiàn)e2O3薄膜表面有大量不規(guī)則的納米孔狀結(jié)構(gòu)，隨著陽(yáng)極氧化時(shí)間延長(zhǎng)至450 s，納米孔的孔徑變大，多孔結(jié)構(gòu)逐漸向管狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，納米管分布均勻且管與管之間相互分離，而當(dāng)陽(yáng)極化時(shí)間為600 s時(shí)，可以觀察到雖然納米管陣列結(jié)構(gòu)仍然存在，但部分納米管陣列已被過(guò)度腐蝕。由此可見，最佳陽(yáng)極氧化時(shí)間為450 s，在此條件下可制得形貌完整、分布均勻的Fe2O3納米管陣列薄膜。

2.1.2 Fe2O3/ZnO復(fù)合材料

圖2為不同水熱時(shí)間下所制Fe2O3/ZnO復(fù)合材料的SEM照片和EDS能譜。由圖2可見，經(jīng)水熱反應(yīng)后，由于ZnO納米棒直徑大于Fe2O3納米管，ZnO納米棒均勻生長(zhǎng)在Fe2O3表面上，且與之結(jié)合緊密。隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)e2O3納米管陣列表面負(fù)載ZnO納米棒的數(shù)量增多，未被覆蓋的地方露出納米管口；當(dāng)水熱時(shí)間延長(zhǎng)至1.5 h，薄膜表面有大量納米棒出現(xiàn)，且部分小納米棒聚集在一起形成花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，平均直徑約為100 nm；當(dāng)水熱時(shí)間為2.5 h時(shí)，納米棒尺寸繼續(xù)增加，且出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。由于ZnO晶核的形核速率和ZnO納米棒的尺寸均隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，而為保證光催化材料對(duì)MB溶液的降解能力，ZnO納米棒的尺寸不宜過(guò)大，故結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)水熱時(shí)間為1.5 h時(shí)，得到ZnO的形貌最有利于MB的降解。結(jié)合圖2(f)所示的EDS能譜可知，復(fù)合材料表面只出現(xiàn)O、Fe、Zn三種元素峰，進(jìn)一步表明在Fe2O3納米管陣列薄膜上生長(zhǎng)出了ZnO納米棒，其形成過(guò)程可以表示為：

(a)180 s (b)300 s

(c)450 s (d)600 s

圖1不同陽(yáng)極氧化時(shí)間下所制Fe2O3納米管陣列的SEM照片

Fig.1SEMimagesofFe2O3NTAssynthesizedatdifferentanodizationtimes

(a) SEM，0.5 h (b) SEM，1 h

(c) SEM，1.5 h (d) SEM，2 h

(e) SEM，2.5 h (f) EDS，1.5 h

圖2Fe2O3/ZnO復(fù)合材料的SEM照片和EDS圖譜

Fig.2SEMimagesandEDSspectrumofFe2O3/ZnOnanocomposites

(1)

(2)

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[15-16]的報(bào)道，可以認(rèn)為ZnO納米棒的形成機(jī)理為：①生長(zhǎng)基元的形成：反應(yīng)物間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成生長(zhǎng)基元；②形核：生長(zhǎng)基元相互聚集并受熱分解形成ZnO晶核；③成棒：晶體逐漸長(zhǎng)大最終形成ZnO納米棒結(jié)構(gòu)。

2.2 樣品的物相結(jié)構(gòu)

圖3為Fe2O3納米管陣列、Fe2O3/ZnO復(fù)合材料和純ZnO粉末的XRD圖譜。由圖3可以看出，所制Fe2O3納米管陣列的衍射峰與Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)XRD卡片(JCPDS No.33-0664)一致；此外，對(duì)比ZnO標(biāo)準(zhǔn)XRD卡片(JCPDS No.36-1451)可知，不同水熱時(shí)間制得的Fe2O3/ZnO復(fù)合材料和純ZnO粉末中，均出現(xiàn)了ZnO的特征峰，且位置與衍射峰強(qiáng)度基本一致，對(duì)應(yīng)晶面為(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(112)、(201)，ZnO的晶胞參數(shù)為：a=b=0.3249 nm、c=0.5206 nm，表明復(fù)合材料中Fe2O3和ZnO均具有較好的結(jié)晶性，且ZnO的引入沒有破壞Fe2O3薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。另外，隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)，ZnO衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，F(xiàn)e2O3衍射峰強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，這與顯微組織的觀察結(jié)果一致。

圖3Fe2O3納米管、Fe2O3/ZnO復(fù)合材料及ZnO粉末的XRD圖譜

Fig.3XRDspectraofFe2O3NTAs,Fe2O3/ZnOnanocompositesandZnOpowder

利用TEM進(jìn)一步對(duì)水熱反應(yīng)1.5 h的Fe2O3/ZnO復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。從圖4(b)中可以得出，晶格間距為0.263 nm時(shí)對(duì)應(yīng)ZnO的(002)晶面，而晶格間距為0.246nm時(shí)對(duì)應(yīng)的則是Fe2O3的(110)晶面，該結(jié)果與XRD計(jì)算的晶格間距結(jié)果相一致，進(jìn)一步表明該樣品中形成了Fe2O3/ZnO納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖4(c)為樣品選區(qū)電子衍射圖，圖中明亮的衍射斑點(diǎn)和衍射環(huán)表明該樣品具有多晶結(jié)構(gòu)。

(a) TEM，低倍

(b) TEM，高倍

(c) 電子衍射圖

圖4Fe2O3/ZnO復(fù)合材料的TEM照片及其電子衍射圖

Fig.4TEMimagesandelectrondiffractionpatternofas-preparedFe2O3/ZnOnanocomposites

2.3 樣品的紫外-可見吸收光譜

圖5為Fe2O3納米管陣列、Fe2O3/ZnO復(fù)合材料和純ZnO粉末的紫外-可見吸收光譜。由圖5可見，純ZnO粉末在紫外波段(200～400 nm)顯示出強(qiáng)吸收，而Fe2O3在可見光區(qū)(420～600 nm)顯示強(qiáng)吸收；對(duì)于負(fù)載ZnO納米棒的Fe2O3納米管陣列薄膜而言，隨著水熱時(shí)間的增加，復(fù)合材料中ZnO的特征吸收譜開始出現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)，F(xiàn)e2O3的吸收譜逐漸減弱；當(dāng)水熱時(shí)間延長(zhǎng)至2.5 h時(shí)，F(xiàn)e2O3吸收譜最終消失，只出現(xiàn)ZnO的特征吸收譜，其吸收帶邊為380 nm左右。由此可見，F(xiàn)e2O3/ZnO復(fù)合材料在可見光區(qū)和紫外區(qū)均有吸收，且與純ZnO的吸收曲線相比均發(fā)生了紅移，即其吸收帶向紅外區(qū)域擴(kuò)展，在可見光區(qū)域的光吸收強(qiáng)度明顯增大。這是因?yàn)閆nO納米棒與Fe2O3納米管陣列接觸的界面形成的異質(zhì)結(jié)影響了其光的吸收能力，且ZnO的存在也增加了Fe2O3表面的缺陷[17]。

圖5Fe2O3納米管陣列、Fe2O3/ZnO復(fù)合材料及ZnO粉末的紫外-可見吸收光譜

Fig.5UV-VisabsorbancespectraofFe2O3NTAs,Fe2O3/ZnOnanocompositesandZnOpowder

2.4 樣品的光催化性能

圖6和圖7分別為Fe2O3納米管陣列、Fe2O3/ZnO復(fù)合材料和ZnO粉末對(duì)MB的降解率及其動(dòng)力學(xué)擬合曲線。由圖6可見，隨著光照時(shí)間的增加，所制光催化材料對(duì)MB的降解率逐漸增大，結(jié)合圖7可知，ln(C/C0)與光照時(shí)間呈正比，即MB的光催化降解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)規(guī)律。

從圖6中還可以看出，在相同光照時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)e2O3/ZnO復(fù)合材料的MB降解率均明顯高于未摻雜的Fe2O3和ZnO樣品，不同水熱時(shí)間制得的Fe2O3/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)MB的降解效果排序?yàn)椋?.5 h>1 h>2.5 h>2 h>0.5 h，即水熱反應(yīng)1.5 h后的樣品對(duì)MB的降解率最高可達(dá)85%，其主要原因是Fe2O3/ZnO復(fù)合材料捕獲光生電子后，其穩(wěn)定構(gòu)型被打破，使得捕獲的電子容易釋放出來(lái)，從而阻止了電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高了Fe2O3/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)的光量子效率與催化活性，使得樣品在可見光下發(fā)生光催化反應(yīng)的幾率增大[18]。

圖6Fe2O3納米管陣列、Fe2O3/ZnO復(fù)合材料及ZnO粉末對(duì)MB的降解率

Fig.6MBdegradationratesofFe2O3NTAs,Fe2O3/ZnOnanocompositesandZnOpowder

圖7Fe2O3納米管陣列、Fe2O3/ZnO復(fù)合材料及ZnO粉末的MB降解動(dòng)力學(xué)擬合曲線

Fig.7KineticfittedlinesofMBdegradationusingFe2O3NTAs,Fe2O3/ZnOnanocompositesandZnOpowder

Fe2O3/ZnO復(fù)合材料增強(qiáng)光催化性能的機(jī)理可借助圖8表示，圖中CB、VB分別表示Fe2O3和ZnO的導(dǎo)帶、價(jià)帶。由圖8可知，由于ZnO的導(dǎo)帶位置比Fe2O3更負(fù)，價(jià)帶比Fe2O3更正，ZnO導(dǎo)帶上的電子會(huì)瞬間轉(zhuǎn)移到Fe2O3導(dǎo)帶上，空穴也會(huì)從ZnO價(jià)帶轉(zhuǎn)移到Fe2O3的價(jià)帶，促使光生電子和空穴發(fā)生有效分離，降低了電子空穴對(duì)的復(fù)合幾率，從而提高了Fe2O3/ZnO復(fù)合材料的光量子效率及催化活性[19]。

圖8 Fe2O3/ZnO復(fù)合材料的光生電子傳遞示意圖

Fig.8SchematicdiagramofphotogeneratedelectrontransferpathwayofFe2O3/ZnOnanocomposites

3 結(jié)論

(1)利用陽(yáng)極氧化法和水熱法在純鐵片襯底上制備Fe2O3/ZnO復(fù)合納米管陣列薄膜，F(xiàn)e2O3納米管陣列垂直生長(zhǎng)于基底表面，管內(nèi)徑為40～80 nm，ZnO納米棒均勻附著在Fe2O3納米管陣列表面，平均直徑為100 nm左右，且ZnO的負(fù)載沒有影響到Fe2O3納米管陣列的晶體結(jié)構(gòu)。

(2)當(dāng)陽(yáng)極氧化時(shí)間為450 s、水熱反應(yīng)時(shí)間為1.5 h時(shí)，制得的Fe2O3/ZnO納米復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)亞甲基藍(lán)的光降解率達(dá)到85%，在可見光下具有較高的光催化活性。

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[責(zé)任編輯董貞]

SynthesisandphotocatalyticactivityofFe2O3/ZnOnanocompositestructures

LeiRui,ChenRongsheng,ZhangBowei,ZhanWeiting,LiYang,NiHongwei

(State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Fe2O3nanotube arrays (NTAs) films were prepared on pure iron substrates by anodic oxidation approach, then ZnO nanorods were synthesized on the surface of Fe2O3NTAs via hydrothermal method, and the Fe2O3/ZnO nanocomposites were therefore obtained. With the aid of FE-SEM, EDS, XRD, TEM and UV-Vis, the morphology, microstructure, phase composition and photocatalytic properties of the Fe2O3/ZnO nanocomposites prepared with different reaction times were characterized, and the performance for degradation of methylene blue solution under visible-light irradiation was studied. The results show that Fe2O3NTAs prepared at the anode oxidation voltage of 55 V for 450 s exhibits highly ordered, uniformly distributed and vertically oriented structure, with the average tube diameter of 80 nm. After hydrothermal reaction in alkaline zincate solution at 90 ℃ for 1.5 h, the synthesized Fe2O3/ZnO nanocomposites exhibits the optimum photocatalytic property, and the degradation rate of methylene blue solution can reach 85%.

Fe2O3/ZnO; nanotube array; Fe2O3; ZnO nanorod; photocatalytic degradation; methylene blue

TB34；O643

A

1674-3644(2017)06-0415-07

2017-02-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51171133，51471122，51601136)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA128).

雷 銳(1986-)，男，武漢科技大學(xué)博士生. E-mail: leirui0@163.com

倪紅衛(wèi)(1966-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師. E-mail: nihongwei@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.06.003