中空ZnO微球的制備及其光催化性能

，，

(陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西 商洛 726000)

1 前 言

采用光催化技術(shù)進(jìn)行環(huán)境污染物轉(zhuǎn)化、降解和礦化的研究受到人們廣泛的關(guān)注[1-3]。研究較多的光催化材料是納米半導(dǎo)體材料，在光催化領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。其中，ZnO禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，具有十分優(yōu)良的光催化性能和穩(wěn)定性。納米半導(dǎo)體材料催化活性不僅與材料本身的特性有關(guān)，而且與微觀晶體形貌有著密切的關(guān)系，比如線狀、帶狀、橢圓狀、花狀、棒狀、中空和球狀等納米ZnO具有不同的光催化活性。由于中空結(jié)構(gòu)具有較大比表面積，可以提供更多的表面反應(yīng)點(diǎn)，可產(chǎn)生更多的光生電子-空穴對(duì)，因此中空ZnO微球較傳統(tǒng)的ZnO材料具有更強(qiáng)的光催化活性[7-10]。目前，制備中空納米ZnO顆粒的方法有硬模板法、軟模板法和自模板法[11-16]。不同方法制備中空ZnO微球的工藝各不相同，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文用葡萄糖、醋酸鋅合成了碳微球氧化鋅復(fù)合材料，高溫煅燒后得到ZnO中空微球。采用FTIR、XRD、UV-vis DRS、SEM對(duì)ZnO中空微球進(jìn)行表征，并研究其對(duì)不同染料的光催化降解性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

所用試劑葡萄糖，六水合乙酸鋅，乙醇，羅丹明B，均為分析純。所用儀器為BL-GHX-V型光化學(xué)反應(yīng)儀，Thermo Nicolet 380傅里葉紅外光譜儀， XRD-6100型X射線衍射儀，VEGA-3 SBH掃描電子顯微鏡，UV-3000型分光光度計(jì)和UV-1100分光光度計(jì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1碳微球的制備 將6g葡萄糖加入適量蒸餾水中，攪拌至溶解。上述溶液轉(zhuǎn)入50mL水熱反應(yīng)釜，180℃條件下反應(yīng)6h。冷卻，離心，洗滌，過濾，干燥，得到黑褐色碳微球。

2.2.2中空ZnO微球的制備 稱取一定量的碳微球加入水介質(zhì)中，超聲30min。將醋酸鋅溶液逐滴加入碳微球溶液中，超聲1h，形成表面鍵合鹽離子的復(fù)合材料。經(jīng)離心、水洗、醇洗、過濾、干燥，煅燒得到白色ZnO粉體。

2.2.3光催化性能測(cè)試 稱取50mg ZnO催化劑加入至50mL 10mg/L有機(jī)染料溶液中，以225W Hg燈為光源。暗吸附30min，間隔一定時(shí)間取樣，離心取上清液測(cè)定其吸光度。根據(jù)吸光度的變化計(jì)算出有機(jī)物的降解率，用D%表示，計(jì)算公式如下：

D%=(1-Ct/C0)×100%

式中，C0和Ct分別為溶液初始和反應(yīng)t min時(shí)的濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 微觀形貌分析

圖1為葡萄糖與水之比為14∶100，在180℃ 6h條件下制備的碳微球的SEM照片。由圖可知，碳微球單分散性較好，尺寸大小適中，可以作為模板微球使用。

圖1 碳微球的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM of carbon microspheres

圖2為碳微球與醋酸鋅之比為1∶2， 500℃煅燒2h條件下制備ZnO材料的SEM照片及EDS圖譜。由圖可知，ZnO為球形結(jié)構(gòu)，分散性較好，從圖中破損微球形貌可以看出其為空心結(jié)構(gòu)。EDS分析表明，樣品中含有Zn、O元素，說明煅燒已經(jīng)除去碳模板。

圖2 中空ZnO微球SEM照片(a)和EDS圖譜(b)Fig.2 (a)SEM image and (b)EDS spectra of ZnO hollow microspheres

3.2 FT-IR分析

圖3 中空ZnO微球的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectra of ZnO hollow microspheres

圖3為中空ZnO微球的FT-IR譜圖，可以看出碳微球紅外譜在波數(shù)2925cm-1附近存在弱吸收峰，可能是由C-H基的振動(dòng)造成。另外，碳微球在1287cm-1附近有羧酸二聚體中C-O伸縮振動(dòng)頻率，判斷其表面可能存在官能團(tuán)-COOH。而締合羥基O-H伸縮振動(dòng)頻率吸收峰位于3421cm-1附近，且在1000～1500cm-1波段包含了C-OH伸縮振動(dòng)和-OH的彎曲振動(dòng)峰，這表明膠體碳球里存在著大量的殘留的羥基基團(tuán)。而煅燒前ZnO/碳微球樣品的紅外譜圖中存在碳微球的特征吸收峰，此外430cm-1附近出現(xiàn)較弱的Zn-O鍵的振動(dòng)吸收峰，說明ZnO對(duì)模板碳微球包覆成功。圖中煅燒后ZnO微球在430cm-1附近的吸收峰是Zn-O鍵的振動(dòng)峰，這也是ZnO的特征吸收峰，而碳微球吸收峰幾乎全部消失，說明碳微球模板經(jīng)煅燒去除得較為完全。

3.3 XRD分析

圖4是ZnO樣品的XRD圖譜。與六方纖鋅礦ZnO標(biāo)準(zhǔn)譜圖PDF#361451的特征衍射峰完全一致，說明產(chǎn)物為ZnO六方晶系結(jié)構(gòu)。樣品衍射峰峰型尖銳，半峰寬窄，說明樣品結(jié)晶度良好，且除了ZnO六方纖鋅礦的衍射峰外，未出現(xiàn)其他雜峰，說明樣品具有較高的純度。

圖4 中空ZnO微球的XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of ZnO hollow microspheres and standard PDF card

3.4 UV-vis DRS分析

圖5所示為中空ZnO微球樣品的UV-vis DRS譜圖，可以看到樣品在200～400nm紫外光區(qū)有較強(qiáng)的吸收譜帶，說明ZnO在紫外光區(qū)具有良好的吸收性能。內(nèi)插圖為樣品的(ahν)2-hν關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的切線(箭頭所示)與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，估算中空ZnO的禁帶寬度Eg=3.25eV，與六方纖鋅礦ZnO禁帶寬度3.37eV基本相符。

圖5 中空ZnO微球的UV-vis DRS譜圖Fig.5 UV-vis DRS of ZnO hollow microspheres

3.5 光催化性能分析

圖6為不同煅燒溫度對(duì)ZnO空心微球光催化活性的影響。研究對(duì)象為在碳微球與醋酸鋅物料比為1∶2，煅燒時(shí)間2h，不同煅燒溫度條件下制備ZnO空心微球。從圖中可以看出，煅燒溫度從300℃到600℃，隨著煅燒溫度升高，RhB的降解率逐漸增大，500℃時(shí)光催化降解率達(dá)82.4%，500℃以后有所降低。

圖6 不同煅燒溫度對(duì)中空ZnO微球光催化活性影響Fig.6 Effect of calcination temperature on the photocatalytic activity of ZnO hollow microspheres

圖7為不同煅燒時(shí)間制備的ZnO空心微球的光催化活性。研究對(duì)象為在碳微球與醋酸鋅物料比為1∶2，煅燒溫度為500℃，經(jīng)不同煅燒時(shí)間后制備的中空ZnO微球。由圖可知，煅燒時(shí)間從2h增加到5h，隨著煅燒時(shí)間的延長,RhB的降解率基本保持不變。因此實(shí)驗(yàn)選取2h作為制備ZnO空心微球的煅燒時(shí)間。

圖7 不同煅燒時(shí)間對(duì)中空ZnO微球光催化活性影響Fig.7 Effect of calcination time on the photocatalytic activity of ZnO hollow microspheres

圖8為不同碳微球/醋酸鋅物料比對(duì)中空ZnO微球光催化活性影響。研究對(duì)象為在不同碳微球/醋酸鋅物料比條件下制備的中空ZnO微球。由圖可知，隨著碳微球/醋酸鋅物料比增大，微球?qū)hB的降解率先增大后減小，在物料比為1∶2時(shí)中空ZnO微球具有較好光催化活性?？梢酝茢?，模板量過多，可能使碳微球?qū)n(OH)2形成反包覆，導(dǎo)致空心結(jié)構(gòu)難以形成；當(dāng)模板量過少Zn(OH)2包覆困難，從而影響其光催化活性。

圖8 不同碳微球/醋酸鋅物料比對(duì)中空ZnO微球光催化活性影響Fig.8 Effect of different material ratio on the photocatalytic activity of ZnO hollow microspheres

圖9 中空ZnO微球重復(fù)使用5次的降解率曲線Fig.9 Photocatalytic degradation rate of RhB in 5 cycles with ZnO hollow microspheres

為了研究所制備的ZnO催化劑的穩(wěn)定性，選取500℃煅燒2h，碳微球/醋酸鋅物料比1∶2實(shí)驗(yàn)條件下制備的ZnO中空微球,重復(fù)進(jìn)行5次光催化降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9。由圖可知，經(jīng)過多次循環(huán)使用，所得催化劑仍有較好的光催化活性，且保持在85%以上。表明ZnO中空微球具有較好的光催化穩(wěn)定性。

圖10為中空ZnO微球?qū)ζ渌玖系墓獯呋到庑Ч麍D，從圖可以看出，在光反應(yīng)180min后，中空ZnO微球?qū)ζ渌玖贤瑯泳哂休^好的降解效果。

圖10 中空ZnO微球?qū)ζ渌玖系墓獯呋到庑Ч?A～F:甲基藍(lán)、甲基橙、活性黃、活性紅、酸性藍(lán)、酸性紅)Fig.10 Degradation different dyes with ZnO hollow microspheres (A～F: Methylene blue, Methyl orange reactive yellow, reactive red, acid blue, acid red)

4 結(jié) 論

采用模板法制備了中空ZnO微球光催化劑，通過對(duì)制得樣品的結(jié)構(gòu)、性能、形貌進(jìn)行表征分析的結(jié)果表明，碳微球與醋酸鋅物料比為1∶2、煅燒溫度500℃、煅燒時(shí)間2h條件下制備的中空ZnO微球直徑約3～5μm，六方晶系結(jié)構(gòu)，具有良好的光催化活性和穩(wěn)定性。

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