吳賀文

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?環(huán)境污染日益嚴(yán)重，采用清潔無(wú)污染催化劑降解有機(jī)物治理環(huán)境污染成為工業(yè)催化的熱點(diǎn)。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(yáng)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(lái)模擬太陽(yáng)光，用甲基橙模擬有機(jī)污水，分析光催化劑對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?光催化;氧化鋅;可見(jiàn)光;摻雜

[中圖分類號(hào)] ?TQ03-3 ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?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(yáng)光、無(wú)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(wú)機(jī)離子。

二、研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，納米材料被廣為重視并逐步應(yīng)用于各個(gè)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(wú)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(yáng)光譜中紫外光約占3%，而可見(jiàn)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(jiàn)光活性將是光催化研究方向。通過(guò)對(duì)ZnO半導(dǎo)體粒子的修飾和改性處理，可實(shí)現(xiàn)利用可見(jiàn)光進(jìn)行光催化反應(yīng)。目前發(fā)現(xiàn)使光催化劑具有可見(jiàn)光活性的主要方法有非金屬摻雜、過(guò)渡金屬摻雜、染料敏化等。

三、實(shí)驗(yàn)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(yáng)光，在光化學(xué)反應(yīng)儀中反應(yīng)，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)及TOC測(cè)定儀評(píng)價(jià)模擬污染物降解效果。比較不同催化劑性能找出可見(jiàn)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(wú)水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時(shí)，最后400℃馬弗爐焙燒2小時(shí)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(wú)水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時(shí)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(shí)，反應(yīng)混合物減壓抽濾，抽濾后用蒸餾水洗滌及無(wú)水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時(shí)，得到摻雜銀ZnO粉體。

4.強(qiáng)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(wú)水乙醇洗滌除去雜質(zhì)，50℃烘箱干燥5小時(shí)得到摻雜銀ZnO粉體。

（二）光催化活性評(píng)價(jià)

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(shí)每半小時(shí)取樣一次并用濾紙過(guò)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(jiàn)分光光度計(jì)檢測(cè)樣品在光譜中各個(gè)波段的吸光度，根據(jù)反應(yīng)不同時(shí)間取樣的樣品的吸光度的變化，降解效率以脫色效率評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(lái)越好，但是，當(dāng)銀的質(zhì)量含量達(dá)到1.33%時(shí)，再增加銀的含量，甲基橙的降解效果提高不多。根據(jù)實(shí)際效益情況，貴金屬銀價(jià)格昂貴，不宜配比過(guò)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(duì)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(lái)越好，但是，當(dāng)銀的質(zhì)量含量達(dá)到30.15%時(shí)，再增加銀的配比，甲基橙的降解效果提高不多。根據(jù)實(shí)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(guò)高，不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

（四）強(qiáng)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(qiáng)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(guò)130%。

參考文獻(xiàn)：

[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(jìn)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?；ぃ?003（4）：31.