銀摻雜氧化鋅復(fù)合物的制備及光催化性能研究

吳賀文

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?環(huán)境污染日益嚴(yán)重，采用清潔無污染催化劑降解有機物治理環(huán)境污染成為工業(yè)催化的熱點。ZnO是一種重要的寬禁帶隙半導(dǎo)體催化劑，在室溫下，寬禁帶寬度為3.37eV和高激子結(jié)合能為60meV[1]，研究在太陽光下具有較高性能的ZnO具有積極意義。采用微波加熱法制備ZnO粉體，及在ZnO粉體中摻雜銀制備復(fù)合催化劑。用氙燈來模擬太陽光，用甲基橙模擬有機污水，分析光催化劑對可見光的響應(yīng)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?光催化;氧化鋅;可見光;摻雜

[中圖分類號] ?TQ03-3 ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）03-0152-02

一、研究意義

光催化技術(shù)在環(huán)境與能源領(lǐng)域中的應(yīng)用研究已經(jīng)歷經(jīng)了三十多年[2]。光催化反應(yīng)指的是在光照條件下用半導(dǎo)體作為催化劑，在常溫常壓下反應(yīng)物分子之間的氧化-還原反應(yīng)[3]。污染物可在太陽光、無二次污染的半導(dǎo)體催化劑和分子氧的作用下綠色環(huán)保地轉(zhuǎn)化為CO2、H2O及無機離子。

二、研究現(xiàn)狀

近年來，納米材料被廣為重視并逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域。納米氧化鋅粒子，在化學(xué)、物理學(xué)、光、電、磁、敏感性等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無法比擬的特殊性能和新用途[4-5]。

研究表明，納米ZnO粒子的反應(yīng)速度比普通ZnO粒子要快10到100倍，然而大多數(shù)光催化材料只在紫外區(qū)顯示催化活性效率較低，太陽光譜中紫外光約占3%，而可見光約占43%，因此，提高光催化材料的活性及使其具有良好的可見光活性將是光催化研究方向。通過對ZnO半導(dǎo)體粒子的修飾和改性處理，可實現(xiàn)利用可見光進行光催化反應(yīng)。目前發(fā)現(xiàn)使光催化劑具有可見光活性的主要方法有非金屬摻雜、過渡金屬摻雜、染料敏化等。

三、實驗內(nèi)容

本文采用微波加熱法制備出納米ZnO粉體，采用不同摻雜方法制備出摻雜納米ZnO。以甲基橙模擬污染物，氙燈模擬太陽光，在光化學(xué)反應(yīng)儀中反應(yīng)，用紫外-可見分光光度計及TOC測定儀評價模擬污染物降解效果。比較不同催化劑性能找出可見光催化性能最好的催化劑。

（一）催化劑的制備

1.微波加熱法制備ZnO粉體

1.098 g乙酸鋅、80 mL乙二醇和40 mL丙三醇，在圓底燒瓶磁力攪拌混合均勻后置于微波爐中，攪拌微波加熱回流。每加熱15秒停止加熱20秒后再重新加熱，如此不斷循環(huán)直到出現(xiàn)白色沉淀，出現(xiàn)沉淀后繼續(xù)循環(huán)加熱5次停止加熱。將反應(yīng)混合物趁熱減壓抽濾，抽濾后用蒸餾水及無水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時，最后400℃馬弗爐焙燒2小時得到ZnO粉體。

2.微波加熱法摻雜

定量硝酸銀、0.200 gZnO粉體、40 mL乙二醇，置于圓底燒瓶磁力攪拌30分鐘，混合均勻后攪拌微波加熱回流。每加熱15秒停止加熱20秒后再重新加熱，循環(huán)10次把反應(yīng)混合物減壓抽濾，抽濾后用蒸餾水洗滌及無水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時得到摻雜銀ZnO粉體。

3.紫外光照法摻雜

定量硝酸銀、0.200 g微波加熱法制備ZnO粉體、100 mL蒸餾水，置于燒杯磁力攪拌30分鐘，混合均勻后將置于光學(xué)反應(yīng)儀中，500w的高壓汞燈照射1小時，反應(yīng)混合物減壓抽濾，抽濾后用蒸餾水洗滌及無水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時，得到摻雜銀ZnO粉體。

4.強還原劑還原法摻雜

0.200g微波加熱法制備ZnO粉體置于燒杯中，加入10 mL蒸餾水，置于超聲波振蕩器中振蕩30分鐘分散均勻，再加入硝酸銀，磁力攪拌10分鐘，硝酸銀完全溶解后混合1μl水合肼和30 mL蒸餾水，混合均勻后移入30 mL注射器中，助推器1 mL/min的速度滴加到硝酸銀ZnO粉體的混合液中，最后抽濾后用蒸餾水洗滌及無水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時得到摻雜銀ZnO粉體。

（二）光催化活性評價

20 mg/L甲基橙模擬污水。20 mg催化劑和200 mL甲基橙溶液置于200 mL石英反應(yīng)器，超聲波振蕩15分鐘置于光化學(xué)反應(yīng)儀內(nèi)，通入100 mL/min氧氣攪拌下用1000W的氙燈照射，反應(yīng)1小時每半小時取樣一次并用濾紙過濾，觀察懸浮液的顏色變化直到反應(yīng)結(jié)束。最后用紫外-可見分光光度計檢測樣品在光譜中各個波段的吸光度，根據(jù)反應(yīng)不同時間取樣的樣品的吸光度的變化，降解效率以脫色效率評價催化劑的光催化活性。

四、分析與結(jié)論

（一）未摻雜的納米ZnO

如表1所示微波加熱法制備的ZnO粉體對甲基橙的降解情況。

（二）微波加熱法摻雜銀

采用微波加熱法，將不同配比的銀摻雜在微波加熱法制備的納米ZnO中，找出Ag/ZnO最高活性的銀配比。其對甲基橙的降解情況如表2所示。

綜合表2和圖1，比較不同銀質(zhì)量含量的甲基橙的降解效率，隨著銀的質(zhì)量含量的增加，甲基橙的降解效果越來越好，但是，當(dāng)銀的質(zhì)量含量達(dá)到1.33%時，再增加銀的含量，甲基橙的降解效果提高不多。根據(jù)實際效益情況，貴金屬銀價格昂貴，不宜配比過高，反應(yīng)物中銀質(zhì)量含量應(yīng)該選擇1.33%。

（三）紫外光照法摻雜銀

采用紫外光照法，不同配比的銀摻雜在微波加熱法制備納米ZnO中，對甲基橙的降解情況如表3所示：比較不同銀質(zhì)量配比的甲基橙的降解效率，隨著銀的質(zhì)量含量的增加，甲基橙的降解效果越來越好，但是，當(dāng)銀的質(zhì)量含量達(dá)到30.15%時，再增加銀的配比，甲基橙的降解效果提高不多。根據(jù)實際效益情況，反應(yīng)物中銀質(zhì)量含量應(yīng)該選擇30.15%。由于銀是貴金屬，成本過高，不具有實際應(yīng)用價值。

（四）強還原劑還原法摻雜

參考微波加熱法摻雜的反應(yīng)物質(zhì)量配比，參照微波加熱法中銀質(zhì)量配比最合適配比1.33%，以水合肼作為還原劑，甲基橙的降解效果如表4所示。

根據(jù)反應(yīng)物銀質(zhì)量配比為1.33%，不同的摻雜方法（微波加熱法、水熱法、強還原劑還原法）所制備的摻雜銀ZnO粉體，它們的光催化活性也有差異。如圖2所示，摻雜銀后的ZnO粉體其比較于單純ZnO粉體，光催化有大幅度提高，其中，水合肼還原法，以反應(yīng)物中銀含量為1.33%的銀摻雜氧化鋅復(fù)合物催化性能最好，在反應(yīng)30分鐘后，甲基橙的降解率較未摻雜前提高超過130%。

參考文獻：

[1]王晶.磁控濺射制備ZnO薄膜的受激發(fā)射特性的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2004（7）：4.

[2]王桂林，馬俊華.光催化氧化技術(shù)的應(yīng)用進展[J].環(huán)境技術(shù)，2003（1）：4.

[3]王亞明.催化原理及新催化技術(shù)[M].昆明：云南科技出版社，1997.

[4]酒金婷，李春霞，王彩鳳，等.納米氧化鋅在水中的分散行為及其應(yīng)用[J].印染，2002（1）：1.

[5]許燕俠，侯青順，張劍秋.納米氧化鋅在橡膠制品中的應(yīng)用[J].上?；?，2003（4）：31.