纳米氧化锌的制备及其光催化特性

　　纳米氧化锌作为光催化剂，具有价格低廉、适用范围广、无毒、无二次污染等优点，在光催化等领域有着广泛的应用[1-4].掺杂、表面沉积、复合等手段能有效提高纳米氧化锌光催化性能[5-8].其中，金属离子掺杂主要是过渡金属掺杂，能够在纳米氧化锌带间产生新的捕获中心，提高量子效率。

　　1 实验部分

　　1.1 主要原料

　　六水硝酸锌，分析纯，天津市东丽区天大化学试剂厂；九水硝酸铁，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；酸性铬蓝 K,分析纯，北京化工厂；其他试剂均为分析纯。

　　1.2 掺铁氧化锌的制备

　　按比例称量硝酸锌、可溶性淀粉和硝酸铁；量取150毫升去离子水，加入可溶性淀粉，加热至沸腾，搅拌使可溶性淀粉溶解至半透明；将六水合硝酸锌加入半透明溶液中，搅拌至硝酸锌完全溶解；将上述溶液在80 ℃恒温搅拌5分钟，加入硝酸铁，继续加热至形成透明胶状体；将胶状体在300 ℃下焦化2小时；焦化后的样品经研磨后在箱式电炉中500 ℃下煅烧。

　　1.3 光降解实验

　　配制一定浓度的酸性铬蓝K溶液，加入一定量的掺铁氧化锌，置于可见光下光照一段时间，取样于4000 r/min 离心 20 min,取上清液测量波长为 525 nm 的吸光度。光催化效率用降解率用 η 表示，计算公式：

　　η（%）=（A0-A）/A0

    式中：A0为酸性铬蓝K的初始浓度，A为光照后酸性铬蓝K的吸光度。

　　2 实验结果与讨论

　　2.1 制备条件对催化剂新能的影响

　　2.1.1 Fe 掺杂量对催化剂性能的影响

　　图 1 是不同 Fe 掺杂量下催化剂对酸性铬蓝 K 的降解率。可见，纯氧化锌对酸性铬蓝 K 溶液降解效果不明显。随着铁掺杂量的增加，催化剂的催化效率明显提高，其原因可能是在半导体的禁带中引入铁的能级有可能拓宽了氧化锌对光的利用范围[6],催化降解率提高。而当 Fe 掺杂过多时，铁不但以掺杂形式进入晶格，而且有可能以 Fe2O3形式大面积覆盖在 ZnO 的表面，减少了催化剂活性位与降解物的接触，而且可能使掺杂离子在 ZnO 中达到饱和而产生新相，减小 ZnO 的有效表面积，从而导致光催化活性降低，催化效率降低。

　　2.1.2 pH 对光催化性能的影响

　　催化剂制备过程中，pH对催化剂降解率的影响如图2所示。

　　在酸性范围内，催化剂降解率随pH增加呈逐渐降低的趋势。催化剂制备过程中，pH影响缩聚速度、交联程度和凝胶的孔隙率，从而影响粒径的大小，随着酸性减弱，有可能使复合催化剂的粒径增大，减小了催化剂的有效面积从而使催化剂的催化效果降低。

　　2.1.3 煅烧时间对光催化性能的影响

　　图3显示了煅烧时间对催化剂降解率的影响。在煅烧时间很短的情况下，催化剂的降解效果不好，这可能因为煅烧时间较短，其中的有机组分还没有完全消失，影响了铁和锌的复合程度；当煅烧时间过长时，降解效果反而下降，这可能是粒径会随煅烧时间增大、产生团聚现象，影响了催化剂受光激发的程度，使光催化活性下降。

　　图4是催化剂用量与降解率的关系。可见，当催化剂用量较少时，降解率较低，用量增加可显着提高降解率，但当用量超过一定值后，降解率随用量提高的趋势变缓。其原因可能是光激活产生的产生电子-空穴对（荷电载流子）较少，不能满足与降解物充分接触反应所需的光生空穴；随着光催化剂用量的增加，光催化电子-空穴对增多，活性位增多，活性增强，从而提高了光催化性能；当催化剂量继续增大时，催化剂自身团聚使得活性位被覆盖使降解率的增长趋势变缓。

　　2.2.2 催化时间对降解率的影响

　　图5是催化时间与降解率的关系。可见，80分钟之前，降解率随催化时间延长显着提高，80分钟后，降解率提高速率趋于平缓。

　　这是因为催化反应的前提是现在催化剂表面吸附。在初始阶段，随时间增加，被吸附物不断降解，浓度虽然减小，但还足以使催化剂达到饱和吸附，因此降解率一直呈较快的增长趋势；当溶液浓度降低到难以使催化剂饱和吸附时，降解率提高速度开始减缓。

　　2.2.3 溶液 pH 对降解率的影响

　　图6是酸性铬蓝K溶液pH对降解率的影响。可见，在酸性很强时，随着pH的增加，降解率增加，这有可能是吸附在光催化剂表面的水分子被活化，生成具有很强氧化性的氢氧根自由基，pH的增大，有利于氢氧根自由基生成，使降解效果明显提高。pH到达7之后，降解率开始随着pH的增大而减小，这有可能是OH-浓度过高，会破坏ZnO的表面结构，降低其活性。

　　3 结论

　　掺Fe可以提高纳米氧化锌对酸性铬蓝K的降解效率。催化剂制备过程中，掺铁量、煅烧时间、pH等因素对纳米氧化锌的催化性能都有明显影响；催化剂使用过程中，催化剂用量、催化时间、溶液pH也都对降解效果有较大影响。

　　参考文献

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　　[5]刘健，文武，矫立男。固相法纳米ZnO/Ag及其光催化性能研究[J].有色矿冶，2005,21（6）：42-44.

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　　[8]王慧。ZnO/Ag纳米复合材料的金属、非金属掺杂及其光催化性能研究[D].山东：青岛科技大学，2010.