李福穎, 陳 蓉, 林 鵬, 牛 玉

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均相沉淀法制備納米ZnO及其光催化性能研究

李福穎*1,2, 陳 蓉1, 林 鵬1, 牛 玉1,2

(1. 三明學(xué)院 化學(xué)與化工應(yīng)用技術(shù)研究所,福建 三明, 365004; 2. 福州大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,福建 福州, 350000)

以硫酸鋅和尿素為原料, 采用均相沉淀法制備納米ZnO顆粒, 并用XRD測試手段對樣品進(jìn)行了表征. 以鹵鎢燈為光源, 以納米ZnO為光催化劑, 考察了其降解甲基橙的性能. 結(jié)果表明: 500 ℃制備的ZnO, 60 min內(nèi)使甲基橙降解率達(dá)67.8％.

納米ZnO; 均相沉淀; 光催化; 甲基橙

納米氧化鋅是一種具有優(yōu)良性能的新型寬禁帶、高激發(fā)能的半導(dǎo)體材料. 以半導(dǎo)體材料作為催化劑光催化氧化廢水中的有機(jī)物, 已引起環(huán)境工作者的廣泛關(guān)注[1—5]. 納米ZnO由于其高效和無毒的特點(diǎn)被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的高活性光催化劑之一, 近年來關(guān)于它的制備及其光催化性能的研究已經(jīng)成為催化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn), 并得以廣泛應(yīng)用[6]. 本研究以均相沉淀法, 選用ZnSO4·7H2O與尿素等原料, 以不同的焙燒溫度制備的納米ZnO作為催化劑, 選用具有一定代表性的甲基橙染料作為處理對象[7], 研究了納米ZnO制備過程中的焙燒溫度、加入量等因素對甲基橙溶液脫色效果的影響, 旨在探討納米ZnO的制備、應(yīng)用條件與催化性能之間的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

ZnSO4·7H2O, 西隴化工股份有限公司; 尿素, 西隴化工股份有限公司; 甲基橙, 上海試劑三廠. 以上試劑均為分析純. 無水乙醇, 廣東光華科技股份有限公司, 為優(yōu)級純.

X’Pert PRO型X-射線衍射儀, 帕納科公司; JA2003N電子天平, 上海精密科學(xué)儀器有限公司; SHB- 3循環(huán)水多用真空泵, 鄭州杜甫儀器廠; CL-2型恒溫加熱磁力攪拌器, 鞏義市予華儀器有限公司; 箱式電爐(4-13) , 上海康路儀器設(shè)備有限公司; DHG-9140型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱, 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司; 300 W鹵鎢燈; 722型分光光度計(jì), 上海精密儀器有限公司.

1.2 納米ZnO的制備

稱取適量的ZnSO4·7H2O和尿素, 分別溶于蒸餾水中配成一定濃度的溶液, 倒入250mL三頸燒瓶中, 反應(yīng)體系在可調(diào)溫的水浴中進(jìn)行, 并控制溫度. 在可控磁力攪拌條件下, 逐漸升溫至90 ℃, 隨著尿素逐漸分解, 溶液出現(xiàn)渾濁, 維持該溫度反應(yīng)一段時間后停止加熱, 冷卻, 抽濾, 用無水乙醇洗滌濾餅多次, 在真空中干燥, 再置于馬弗爐中煅燒3 h, 得到白色納米氧化鋅粉末.

1.3 光催化實(shí)驗(yàn)

配置8 × 10-4mol/L的甲基橙溶液250 mL, 取100 mL置于250 mL錐形瓶中, 加入0.3 g納米氧化鋅. 在磁力攪拌條件下, 進(jìn)行光催化反應(yīng). 以300 W鹵鎢燈作光源. 燈光照射下, 每隔10 min用膠頭滴管吸取樣品, 用高速離心分離機(jī)分離, 選取染料最大吸收波長, 用722型分光光度計(jì)測量吸光度.

計(jì)算脫色率采用公式:= [(0-) /0] ×100 %, 其中0,為反應(yīng)前后溶液的吸光度.

圖1 尿素與ZnSO4摩爾配比為2∶1的XRD譜圖

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品的表征

將研磨好的ZnO樣品作XRD物相分析, 如圖1、圖2所示, 結(jié)果與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片對照. 從圖1、圖2中可以看出, 通過實(shí)驗(yàn)制備的樣品為ZnO, 并且變寬的衍射峰形成.

通過圖1與圖2比較可知, 尿素與ZnSO4的摩爾配比為2∶1時制得的ZnO效果更好. 通過圖2(a)、圖2(b)比較可知, 管電流只對納米ZnO的XRD物相分析圖的強(qiáng)度有一定的影響, 但影響不大.

圖2 尿素與ZnSO4的摩爾配比為3∶1的XRD譜圖

2.2 光催化性能

2.2.1 焙燒溫度對光催化性能的影響

以380 ℃、430 ℃、500 ℃焙燒溫度下制備的納米ZnO為催化劑, 在甲基橙濃度為8 × 10-4mol/L的100 mL溶液中, 分別加入0.3 g納米ZnO, 300 W石英鹵素?zé)粽丈湎逻M(jìn)行反應(yīng).

圖3是在不同溫度下制備的ZnO納米粉體對甲基橙的光催化降解率隨時間的變化曲線. 從圖3可以看出, 在500 ℃合成的納米ZnO對甲基橙的光降解活性較高, 60 min內(nèi)降解率達(dá)67.8%. 這是因?yàn)樵?00 ℃合成的ZnO納米晶發(fā)育較好, 晶體結(jié)構(gòu)較完整. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 焙燒溫度低可能使納米ZnO粒徑增大, 導(dǎo)致催化性能降低. 因此, 為提高納米ZnO的催化效果可以適當(dāng)提高制備過程中焙燒溫度.

2.2.2 催化劑用量對光催化性能的影響

濃度為8 × 10-4mol/L的甲基橙溶液100 mL, 300 W石英鹵素?zé)粽丈浞磻?yīng)1 h, 不同ZnO用量的條件下, 結(jié)果如圖4所示.

圖3 焙燒溫度對納米ZnO光催化活性的影響

圖4 ZnO的量對光催化效果的影響

由圖4可知, 當(dāng)加入0.3 g ZnO時, 降解效果最佳; 繼續(xù)增加ZnO的量, 降解效率反而降低. 形成這種結(jié)果的原因可能是由于固體顆粒ZnO過多, 對光吸收的效率并不能隨著用量的增加而升高, 反而遮擋了下層顆粒的光吸收, 導(dǎo)致降解效率沒有提升.

3 結(jié)論

采用均相沉淀法, 尿素與ZnSO4摩爾配比為2∶1時制得的納米ZnO晶型更完整, 產(chǎn)率更高. 控制煅燒溫度為500 ℃時, 合成的納米ZnO對甲基橙的光降解活性較高. 在光照100 mL濃度為8 × 10-4mol/L的甲基橙溶液條件下, 當(dāng)納米ZnO用量為0.3 g時光降解效果最佳, 60 min內(nèi)對甲基橙溶液降解率達(dá)67.8％.

[1] 張立德, 牟季美. 納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001: 59—88.

[2] 王怡中, 符雁, 湯鴻霄. 二氧化鈦懸漿體系太陽光催化降解甲基橙研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 19(1): 63—67.

[3] 井立強(qiáng), 徐自立, 孫曉君, 等. ZnO和TiO2粒子的光催化活性及其失活與再生[J]. 催化學(xué)報(bào), 2003, 24(3): 175—180.

[4] Mills A, Le Hunte S. An overview of semiconductor photocatalysis[J]. Photochem Photobio A, 1997, 108(1): 1—35.

[5] Yamazaki S, Matsunaga S, Hori K. Photocatalytic degradation of trichloroethylene in water using TiO2pellets[J]. WaterRes, 2001, 35(4): 1022—1028.

[6] 牛玉, 李福穎, 逯露, 等. 可見光下尖晶石型氧化物ZnFe2O4的制備及性能研究[J]. 化學(xué)研究與應(yīng)用, 2010, 22(1): 95—98.

[7] 牛玉, 王逸英, 李福穎. 尖晶石型MAl2O4(M=Co, Cu, Zn)復(fù)合氧化物催化劑的制備及光催化性能[J]. 三明學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 26(2): 176—179.

Homogeneous precipitation preparation of Nano-ZnO and its photocatalytic property

LI Fu-ying1, 2, CHEN Rong1, LIN Peng1, NIU Yu1, 2

(1. Applied Technology Institute of Chemical and Engineering, Sanming University, Sanming 365004, China; 2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350000, China)

Using zinc sulfate and urea as raw materials,nanosized ZnO was prepared by homogeneous precipitation method. The samples were characterized by XRD.The degradation of methyl orange by ZnO under tungsten halogen lamps was studied. The results show that the degradation rate of methyl orangeis 67.8% in 60 min.

Nano-ZnO; homogeneous precipitation; photocatalytic; methyl orange

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.01.005

O 643.36

1672-6146(2013)01-0018-03

email: afu198207@163.com.

2013-01-02

三明學(xué)院科學(xué)研究發(fā)展基金項(xiàng)目(B0968/Q); 福建省科技計(jì)劃重大項(xiàng)目(2010H2006); 福建省高校服務(wù)海西建設(shè)項(xiàng)目(HX200805); 三明學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(ZL1126/CS)

(責(zé)任編校:劉曉霞)