陳燕
摘 要:將納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)凝練為材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課題。采用簡(jiǎn)單的溶劑熱方法制備出不同形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu),使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和紅外光譜儀對(duì)制備樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,以甲基橙為目標(biāo)物,考察ZnO納米結(jié)構(gòu)的光催化降解能力。通過該實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生掌握納米材料制備、表征和光催化性質(zhì)的基本知識(shí),激發(fā)本科階段學(xué)生從事科學(xué)研究的興趣。
關(guān)鍵詞:綜合實(shí)驗(yàn) ZnO納米材料 光催化
中圖分類號(hào):TB383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2017)04(b)-0157-03
目前,全國(guó)許多本科院校中開設(shè)的材料化學(xué)專業(yè)是在化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于受到化學(xué)類專業(yè)教育觀念的影響,實(shí)踐教學(xué)偏向于化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué),缺少與科學(xué)前沿相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模塊。將材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題凝練為材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn),既可拓展學(xué)生的知識(shí)面,又可引導(dǎo)學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。
納米材料具有不同于晶體材料的物理、化學(xué)性質(zhì),這些性質(zhì)不僅與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān),還與其形貌有關(guān),因此納米材料形貌的可控合成引起人們廣泛的研究興趣[1-3]。ZnO是一種重要的功能直接寬帶半導(dǎo)體,其帶隙寬度和激子結(jié)合能分別為3.37 eV和 60 meV。由于其獨(dú)特的光電性質(zhì)、化學(xué)和熱穩(wěn)定性,ZnO在光催化劑、UV激光器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光檢測(cè)器、氣敏傳感器、太陽(yáng)能電池和壓電發(fā)電機(jī)[4-7]等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)在醋酸鋅-正丁胺-四氫呋喃體系中,通過改變?nèi)軇┍壤苽涑霾煌蚊驳腪nO納米結(jié)構(gòu),并通過降解甲基橙來研究其光催化性質(zhì)。經(jīng)過此實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練,可使學(xué)生掌握簡(jiǎn)單的納米材料的制備技術(shù),熟悉表征材料結(jié)構(gòu)的大型實(shí)驗(yàn)儀器,學(xué)會(huì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理,激發(fā)學(xué)生從事科學(xué)研究的興趣。該實(shí)驗(yàn)可在大四本科生中開設(shè),具有較好的教學(xué)效果。
1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
(1)溶劑熱法制備納米材料。
(2)通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和紅外光譜對(duì)樣品形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
(3)通過光降解甲基橙溶液了解光催化反應(yīng)的過程及原理。
2 試劑和儀器
(1)試劑:二水合醋酸鋅、四氫呋喃(THF)、正丁胺(BA)、無水乙醇、甲基橙。
(2)儀器:噴金臺(tái)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、高速離心機(jī)、紅外光譜儀(IR)、光化學(xué)反應(yīng)儀、紫外-可見分光光度計(jì)、高溫反應(yīng)釜。
3 實(shí)驗(yàn)步驟
3.1 不同形貌的ZnO納米材料的制備
稱取0.250 g的醋酸鋅于燒杯中,按表1分別加入總體積為10.5 mL的四氫呋喃和正丁胺混合液,攪拌至樣品溶解,轉(zhuǎn)入50 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中,密封,140 ℃反應(yīng)12 h,自然冷卻至室溫。反應(yīng)釜底有白色沉淀生成,離心分離,分別用無水乙醇和去離子水依次洗滌3次,干燥,最終得到白色粉末狀樣品[8]。
3.2 結(jié)構(gòu)表征
3.2.1 SEM分析
將一定面積的導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上,取少量粉末狀樣品平鋪在導(dǎo)電膠上,用洗耳球除去未附著的樣品。將樣品臺(tái)放入噴金臺(tái)噴金處理80 s,在SEM下觀察樣品的微觀形貌。
3.2.2 XRD分析
利用X射線粉末衍射儀分析不同形貌的樣品,掃描范圍是20°~80°,掃描速度8 °/min。測(cè)量樣品衍射峰的強(qiáng)度,通過計(jì)算(002)面的織構(gòu)化系數(shù)(TC(002))來確定樣品的生長(zhǎng)取向。
其中,Ihkl為hkl晶面衍射峰的強(qiáng)度。
I0hkl為標(biāo)準(zhǔn)卡中hkl晶面衍射峰的強(qiáng)度。
n為衍射峰的數(shù)目。
3.2.3 IR分析
將不同形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)和溴化鉀混合后研磨壓片,利用紅外光譜儀在500~4 000 cm-1范圍內(nèi)測(cè)試。分析獲得的紅外光譜圖,確定ZnO納米結(jié)構(gòu)表面吸附的物質(zhì)。
3.2.4 吸附性質(zhì)
為了考察不同形貌ZnO納米結(jié)構(gòu)降解有機(jī)染料的機(jī)理,選擇甲基橙(MO)作為目標(biāo)降解物。分別將盛有20.0 mg不同形貌ZnO催化劑和20.00 mL 5×10-5 mol/L MO溶液的石英管放入光反應(yīng)器,黑暗下攪拌不同時(shí)間,用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行分析測(cè)定其含量,確定吸附/脫附平衡時(shí)間。
3.2.5 光催化性能
將20.0 mg不同形貌ZnO樣品和20.00 mL 5×10-5 mol/L甲基橙溶液置于50 mL的石英管中,將石英管放入光化學(xué)反應(yīng)儀,黑暗中攪拌,達(dá)到吸附平衡,隨后打開300 W汞燈。紫外光照射一定時(shí)間后從石英管中取出約3 mL溶液,離心,取上層清液用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行分析測(cè)定,利用下述公式計(jì)算降解率。
式中,A0為MO的原始溶液濃度;A為MO任意時(shí)刻的濃度。
4 結(jié)果與討論
4.1 形貌和結(jié)構(gòu)分析
將按表1條件制備的樣品使用SEM觀察其形貌,結(jié)果見圖1。從圖1(a)可知樣品1是由大量的錐狀物質(zhì)組成,錐的底部直徑和高度分別為200~400 nm和350~700 nm。樣品2[圖1(b)]呈現(xiàn)出臺(tái)狀結(jié)構(gòu),臺(tái)的上下底面呈現(xiàn)出正六邊形結(jié)構(gòu),上底面邊長(zhǎng)和對(duì)角線長(zhǎng)度分別是(210±20)nm和(400±30)nm。繼續(xù)增加正丁胺用量至1.50 mL,得到六邊形片狀的樣品3,其邊長(zhǎng)為(290±20) nm,厚度約為150 nm。
4.2 結(jié)構(gòu)分析
將樣品1、2和3進(jìn)行XRD分析,結(jié)果見圖2。從圖2中可以觀察到所有的衍射峰均與纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO(JCPDS no.36-1451)相對(duì)應(yīng),而且沒有其他雜峰,說明制備的不同形貌的樣品均為純的六方相ZnO。按3.2.2所述計(jì)算所有衍射峰的強(qiáng)度,得到樣品1、2和3織構(gòu)化系數(shù)分別是0.80、1.20和1.56,說明制備的ZnO納米材料的(002)面取向性增加。
4.3 IR分析
使用紅外光譜儀對(duì)樣品3進(jìn)行研究,結(jié)果見圖3。IR圖中位于3 442 cm-1處寬而強(qiáng)的吸收峰是O-H伸縮振動(dòng)峰,可能來自于樣品表面吸收的H2O分子。1 604 和1 029 cm-1處的吸收峰分別是NH2的剪式和搖擺振動(dòng)峰[9]。2 919 cm-1、 2 853 cm-1和1 385 cm-1處的吸收峰分別是CH2的不對(duì)稱、對(duì)稱伸縮振動(dòng)和搖擺振動(dòng)峰。IR分析結(jié)果說明正丁胺吸附在ZnO六邊形納米片表面上。
4.4 吸附性質(zhì)分析
將盛有不同形貌ZnO催化劑和MO溶液的石英管放入光反應(yīng)器,黑暗下攪拌,每隔10 min取上清液測(cè)定其吸光度。當(dāng)吸光度值基本無變化時(shí),就達(dá)到了吸附/脫附平衡。
4.5 光催化性質(zhì)分析
將達(dá)到吸附/脫附平衡的含有不同形貌ZnO催化劑的MO溶液使用Hg燈照射,每隔30 min取約3 mL溶液,離心,測(cè)定上清液的吸收光譜,得到不同形貌ZnO催化劑的光催化降解MO溶液的時(shí)間相關(guān)吸收光譜圖。同時(shí),以甲基橙最大吸收波長(zhǎng)處(462 nm)的吸收值為參考,得到含有不同形貌的ZnO催化劑的MO溶液在汞燈照射不同時(shí)間的光降解效果圖,考察其光催化降解能力[10]。
4.6 建議課時(shí)安排
由于ZnO納米材料制備的實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單,但反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),第一次實(shí)驗(yàn)要合理安排時(shí)間。
第一次實(shí)驗(yàn)(4學(xué)時(shí)),不同形貌ZnO樣品的制備。
第二次實(shí)驗(yàn)(8學(xué)時(shí)),ZnO納米材料的結(jié)構(gòu)表征。
第三次實(shí)驗(yàn)(6學(xué)時(shí)),ZnO納米材料光催化性質(zhì)測(cè)試。
5 結(jié)語(yǔ)
不同形貌ZnO納米材料的制備、表征和光催化性質(zhì)測(cè)試這一實(shí)驗(yàn)與科學(xué)前沿課題緊密相連,覆蓋化學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生掌握納米材料的制備和表征的基本技能,是適合向材料化學(xué)專業(yè)本科學(xué)生推薦的綜合實(shí)驗(yàn)。
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