任加誠 李寧寧 馮燦燦 王靈鈺 周巖 趙洪晨 楊志廣

摘 要：本文以乙酸鋅和六亞甲基四胺為反應(yīng)物，采用簡單水熱法制備出了納米氧化鋅（ZnO）光催化劑，通過XRD、FT-IR、SEM對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水熱法合成納米氧化鋅的最佳反應(yīng)時(shí)間為6 h，最佳反應(yīng)溫度為120 ℃，通過該方法合成的納米ZnO為六方晶系結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)納米ZnO光催化材料未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：納米氧化鋅；水熱法；合成；表征

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.196

0 引言

作為一種新的寬禁帶半導(dǎo)體材料，在室溫下ZnO具有較大的禁帶寬度，禁帶寬度為3.37 eV，具備較高的激子束縛能（60 meV），具有來源豐富、價(jià)格低廉、熱穩(wěn)定性高和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。納米ZnO因其體積很?。皆?～100 nm）、比表面積大，所以具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等特點(diǎn)，比普通ZnO表現(xiàn)出更優(yōu)良的性質(zhì)，如優(yōu)異的電、磁、光、力學(xué)和化學(xué)等宏觀特性，使其在污水處理、傳感器、在太陽能電池、光電材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。目前，合成納米ZnO的方法有很多種，主要包括化學(xué)沉淀法，水熱合成法，溶膠-凝膠法，均勻沉淀法，固相合成法，微乳液法等，每種方法都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)[4]。本論文采用簡單水熱合成法制備了納米ZnO光催化材料，對(duì)其反應(yīng)條件進(jìn)行了深入探討并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，同時(shí)對(duì)其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：高壓反應(yīng)釜（上海禾汽玻璃儀器有限公司），85-2磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），DHJ-9070A型電熱恒溫干燥箱（杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司），SC-04型低速離心機(jī)（安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司）。試劑：乙酸鋅（Zn（Ac）2·2H2O，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），六亞甲基四胺 （C6H16N4，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），水為二次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）樣品的制備。稱取2.2 g乙酸鋅和1.5 g CTAB置于100 mL的燒杯中，加入30 mL蒸餾水，劇烈攪拌，形成溶液A。稱取1.4 g六亞甲基四胺于100 mL燒杯中，加入20 mL蒸餾水和2 mL 30 %的過氧化氫，攪拌全溶形成溶液B。把溶液B在攪拌下逐滴加入A溶液中，滴畢，移至100 mL的高壓反應(yīng)釜中，在180 ℃下反應(yīng)6 h，冷卻至室溫，依次使用蒸餾水和無水乙醇洗滌至中性，然后在80 ℃下干燥4 h，500 ℃條件下煅燒2 h，研磨即得白色納米ZnO樣品。改變反應(yīng)時(shí)間和溫度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作，尋找最佳反應(yīng)條件。

（2）樣品的表征。用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的XD-6多晶X射線粉末衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相分析；用Nicolet公司NICOLET6700型傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行定性分析；用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的FEI Quanta 200掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行微觀形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射（XRD）物相分析

圖1a和圖1b中分別為在不同反應(yīng)時(shí)間和不同反應(yīng)溫度下樣品的X射線粉末衍射圖。由圖1a可以看出，在180 ℃反應(yīng)條件下，反應(yīng)時(shí)間分別為6 h、12 h和24 h時(shí)，衍射峰幾乎是重疊的，說明反應(yīng)時(shí)間對(duì)納米ZnO的晶型結(jié)構(gòu)的影響不大，因此，我們選擇最佳反應(yīng)時(shí)間為6 h。固定反應(yīng)時(shí)間為6 h，考察不同反應(yīng)溫度對(duì)納米ZnO的晶型結(jié)構(gòu)的影響。由圖1b可以看出，反應(yīng)溫度為120 ℃時(shí)的衍射峰最強(qiáng)，我們選擇制備納米ZnO的最佳反反應(yīng)溫度為120 ℃。因此，最佳反應(yīng)條件為：反應(yīng)時(shí)間為6 h，反應(yīng)溫度為120 ℃。從XRD測試得到的數(shù)據(jù)可知，ZnO樣品在（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）等晶面出現(xiàn)的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS36-1451對(duì)應(yīng)一致，表明水熱處理后的ZnO樣品為六方晶型鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，衍射峰較尖銳，無雜質(zhì)峰，說明制備的樣品結(jié)晶度很好，純度較高。

2.2 傅立葉-紅外（FT-IR）光譜分析

紅外光譜是對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析的一種主要方法。圖2中（a）和（b）分別表示納米ZnO煅燒前后的傅立葉-紅外圖譜。由圖2可知，煅燒后的譜圖雜峰比燒前的少很多，說明煅燒去除了很多雜質(zhì)。波數(shù)3400 cm-1為納米氧化鋅表面水的羥基峰形成的伸縮振動(dòng)，1600～1700 cm-1左右出現(xiàn)的吸收峰是水中的-OH基彎曲振動(dòng)吸收峰，485 cm-1左右峰為氧化鋅的特征吸收峰，證明水熱過程得到了納米ZnO[5]。圖中沒有-CH3、-CH2、-C=O等基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰出現(xiàn)，表明樣品純度較高。

2.3 掃描電鏡（SEM）分析

從圖3掃描電鏡圖可以看出，納米ZnO整體呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)，片狀單元之間結(jié)合緊密，排列均勻，發(fā)育較完全，粒徑尺寸不一，大概為幾十到幾百納米不等，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本文以乙酸鋅和六亞甲基四胺為反應(yīng)物，利用簡單水熱法合成了納米氧化鋅，并研究了在不同時(shí)間和不同溫度下反應(yīng)所得納米氧化鋅的各項(xiàng)譜圖，得出制備納米氧化鋅的最佳反應(yīng)條件為在120 ℃下反應(yīng)6 h。目前，雖然合成納米氧化鋅的方法有很多，但大部分方法還處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段，對(duì)其反應(yīng)條件，形貌控制以及生產(chǎn)實(shí)用性等方面還需要深入研究，距離工業(yè)化應(yīng)用還有一定距離，如其制備技術(shù)還不完善，形成機(jī)理、摻雜機(jī)理、光催化機(jī)理以及應(yīng)用性能還應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。不過相信經(jīng)過科學(xué)研究者的不懈努力，納米氧化鋅的發(fā)展會(huì)

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更好，將會(huì)在諸多方面有更廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：周口師范學(xué)院大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（zknuD201697）；周口師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（HXK201607）；周口師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（HYDC2016004）。

*為通訊作者。