納米鐵酸鋅的共沉淀法制備及其光催化性能

張啟偉

(中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島機(jī)務(wù)段，山東 青島 266021)

0　引言

作為一種新型窄帶隙半導(dǎo)體材料，納米鐵酸鋅在磁性、光催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域已得到廣泛研究與應(yīng)用. Deng等利用簡便一步溶劑熱法調(diào)控制備出單分散鐵酸鹽微球MFe2O4(M= Fe, Mn, Co, Zn)，這些親水性和生物相容性微納米材料在高級(jí)磁性材料、鐵磁流體技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用[1]. Valenzuela等制備、表征了鐵酸鋅納米材料，并研究了其對苯酚的光催化降解性能[2]. Sharma等和NuLi等分別制備并研究了鐵酸鋅作為Li離子電池電極材料的電化學(xué)性能[3- 4]. 鐵酸鹽納米材料的制備方法有機(jī)械球磨法[5]、溶膠-凝膠法[6-7]、溶劑熱法[8]、化學(xué)氣相沉積法[9]和微波輔助燃燒法[10]等等，每種方法都有其優(yōu)勢與不足，如有的方法所制備的產(chǎn)品雜質(zhì)較多，有的方法手續(xù)繁瑣、操作費(fèi)時(shí)，有的方法需要高溫高壓的苛刻反應(yīng)條件等等.本文采用簡便易行的共沉淀方法，制備出了純凈的尖晶石型顆粒狀納米鐵酸鋅，并研究了其對染料亞甲基藍(lán)溶液的可見光光催化性能.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　藥品及儀器

Zn(NO3)2·6H2O，F(xiàn)e(NO3)3·9H2O，NaAc，乙二醇，無水乙醇(均為分析純)，X射線衍射儀(Shimadzu LabX-6000日本)，掃描電鏡(Quanta 200 FEG美國)，傅里葉變換紅外光譜儀(BRUKER VERTEX 70德國)，電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)，臺(tái)式離心機(jī)(TG16-WS長沙湘儀離心機(jī)有限公司)，2000型分光光度計(jì)(尤尼柯(上海)儀器有限公司).

1.2　鐵酸鋅納米材料的制備方法

稱取4.04 g Fe(NO3)3·9H2O和1.48 g Zn(NO3)2·6H2O溶解在200 mL蒸餾水中，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH值至9，磁力攪拌12 h并靜置至出現(xiàn)明顯分層. 使用臺(tái)式高速離心機(jī)離心分離，去離子水洗滌4～5次.將所得到的沉淀80℃干燥12 h，取出沉淀置于坩堝中，650℃煅燒6 h.所得產(chǎn)物用瑪瑙研缽充分研磨成細(xì)小粉末狀.

1.3　鐵酸鋅納米材料的表征方法

通過SEM對制備出的納米鐵酸鋅樣品進(jìn)行微觀形貌和尺寸的觀察和分析. 利用XRD對樣品的純度和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試分析. 采用FTIR對樣品中的化學(xué)鍵進(jìn)行掃描分析.

1.4　納米鐵酸鋅的光催化性能測試

以亞甲基藍(lán)染料溶液作為目標(biāo)污染物，首先利用分光光度計(jì)測定溶液的吸收光譜曲線，確定測定波長. 然后在室溫條件下，一定量的催化劑鐵酸鋅顆粒加入亞甲基藍(lán)染料溶液中(10 mg/L)，進(jìn)行可見光光催化性能研究. 首先將反應(yīng)溶液于暗室中攪拌40 min后到達(dá)吸附平衡，接著打開模擬太陽光源(氙燈)進(jìn)行照射. 在3 h的光催化降解過程中，每間隔30 min 取3 mL反應(yīng)液，以高速離心機(jī)(轉(zhuǎn)速9 000 轉(zhuǎn)/min，時(shí)間5 min)分離出催化劑得到澄清溶液. 測定反應(yīng)液在亞甲基藍(lán)溶液最大吸收波長處的吸光度值，通過計(jì)算公式R= (A0-At)/A0×100% 考察納米鐵酸鋅顆粒對亞甲基藍(lán)溶液的光催化性能. 其中：R為亞甲基藍(lán)溶液的降解率，A0為溶液的起始吸光度，At為溶液在t時(shí)刻的吸光度.

2　結(jié)果與討論部分

2.1　鐵酸鋅納米顆粒的表征

2.1.1SEM表征

(a)未研磨

(b)研磨后

利用掃描電子顯微鏡對制備出的納米材料進(jìn)行了微觀形貌表征. 從圖1(a)中可以發(fā)現(xiàn)， 產(chǎn)品的微觀形貌是顆粒狀，部分團(tuán)聚成大塊顆粒，經(jīng)充分研磨后催化劑顆粒尺寸均為100～200 nm，且整體分散性較好(如圖1(b)). 說明利用共沉淀法可以制備出顆粒尺寸均一、分散性較好的納米鐵酸鋅光催化劑.

2.1.2XRD譜圖

通過特征衍射峰的位置和強(qiáng)度可以了解樣品的晶型和純度. 如圖2所示，樣品的各個(gè)衍射峰與尖晶石型鐵酸鋅樣品的JCPSD標(biāo)準(zhǔn)卡片(22-1012)一一對應(yīng). 其中衍射角2θ角在29.78°、35.22°、36.78°、42.81°、53.19°、56.61°和62.18°處分別與鐵酸鋅的(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面相對應(yīng). 譜圖中未見雜質(zhì)峰，說明所制備的納米材料比較純凈.

圖2　共沉淀法制備鐵酸鋅納米材料的XRD圖

2.1.3FTIR分析

納米鐵酸鋅在4 000～450 cm-1范圍內(nèi)的紅外光譜如圖3所示. 在569 cm-1和465 cm-1兩處的特征峰歸屬于鐵酸鋅晶體中Fe-O鍵和Zn-O鍵，說明尖晶石型鐵酸鋅被成功制備出來. 3405和1 447cm-1是吸附的水分子和表面羥基的特征峰，2 364 cm-1是空氣中或催化劑表面吸附的痕量CO2的特征峰[11]. 此外2973和1 048 cm-1兩處強(qiáng)度不高的雜質(zhì)峰說明所制備的納米鐵酸鋅催化劑純度還是比較高的.

圖3　共沉淀法制備鐵酸鋅納米材料的FTIR圖

2.2　納米鐵酸鋅光催化性能考察

2.2.1亞甲基藍(lán)溶液的吸收光譜曲線

亞甲基藍(lán)溶液的吸收光譜曲線如圖4所示，在400～800 nm的可見光譜區(qū)有兩個(gè)特征峰，668nm是其最大吸收波長，以此作為測定波長靈敏度比較高，誤差較小. 因此，在668 nm處測定亞甲基藍(lán)溶液的吸光度，在朗伯-比爾定律A=εbc中，當(dāng)摩爾吸光系數(shù)ε和比色皿的厚度b為定值時(shí)，吸光度A與濃度c具有正比關(guān)系，所以通過吸光度A的變化可以計(jì)算亞甲基藍(lán)溶液的光催化降解率.

圖4　亞甲基藍(lán)溶液的吸收光譜曲線

2.2.2不同用量納米鐵酸鋅對亞甲基藍(lán)溶液的催化性能考察

如圖5所示，在沒有催化劑只有氙燈照射的條件下，亞甲基藍(lán)溶液的光降解率只有53.6%，在加入鐵酸鋅催化劑(加入量分別為10、30、50mg)的條件下亞甲基藍(lán)溶液的光催化降解率迅速提高，在前半個(gè)小時(shí)降解速度最快，經(jīng)過3 h的光催化降解后，30 mg的催化體系溶液的降解率最高，達(dá)到90.2%. 10 mg的催化劑用量不夠，而50 mg的催化劑用量又過多，多余的催化劑影響了光的照射及染料的吸附和降解，使得光催化效率降低，所以納米鐵酸鋅的最佳用量是30 mg.

圖5　不同催化劑用量對亞甲基藍(lán)溶液降解率的影響

2.2.3溶液pH值對亞甲基藍(lán)溶液降解率的影響

圖6　溶液pH對亞甲基藍(lán)溶液降解率的影響

3　結(jié)論

(1)利用簡便易行的共沉淀方法制備出了尖晶石型鐵酸鋅納米顆粒，直徑約為100～200 nm，產(chǎn)品純度較高；

(2)所制備的納米鐵酸鋅顆粒對亞甲基藍(lán)溶液的光催化降解能力較強(qiáng)，弱酸性體系有助于染料溶液的降解；

(3)100 mL 10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液在pH值為5，納米鐵酸鋅催化劑加入量為30 mg, 可見光光催化降解3 h后的降解率達(dá)到92.1%.

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