劉艷麗+劉倩

摘 要：采用一步法成功制備了氧化鋅/石墨相氮化碳（ZnO/g-C3N4）復合光催化材料，通過XRD，SEM，TEM，FT-IR和UV-vis DRS對所得樣品的微觀形貌和吸光特性進行了表征.結果表明，ZnO顆粒均勻分布在片狀g-C3N4表面上，ZnO/g-C3N4最大光吸收邊的位置相對于純相ZnO發(fā)生了明顯的紅移.利用光催化降解甲基橙溶液評估了所得樣品的光催化活性，發(fā)現ZnO/g-C3N4復合材料的光催化效率遠高于純相ZnO和純相g-C3N4，分別達到ZnO的14倍和g-C3N4的9倍.復合材料光催化性能得以提升的主要原因有兩點：復合樣品材料具有比純相ZnO更大的光吸收范圍，提高了太陽光的利用率；ZnO納米顆粒與g-C3N4緊密耦合形成的異質結構有效促進了光生電子-空穴對的分離.

關鍵詞：半導體；ZnO；g-C3N4；異質結；光催化活性

中圖分類號：O612；TQ174 文獻標志碼：A

Preparation of ZnO/g-C3N4 Composite Photocatalyst with Enhanced Photocatalytic Activity

LIU Yanli1，2，LIU Qian1，2

（1.College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；

2.Hunan Province Key Laboratory for Spray Deposition Technology and Application，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：ZnO/g-C3N4 composite was prepared by one-step calcining.The microstructure and absorption property of the as-prepared samples were characterized by XRD，SEM，TEM，FT-TR，and UV-vis DRS.The results showed that ZnO particles distributed uniformly on the surface of g-C3N4，and the light absorption edge of the composite had an obvious red shift compared with pure ZnO.Photocatalytic degradation of methyl orange solution experiments was conducted to evaluate photocatalytic activities of the as-prepared samples.The results indicated that ZnO/g-C3N4 exhibited higher photocatalytic activity than pure ZnO and pure g-C3N4.The photocatalytic efficiency was 14 and 9 times as high as that of ZnO and g-C3N4，respectively.The photocatalytic performance of the composite got promoted mainly due to the formation of heterogeneous structure between ZnO and g-C3N4，which decreased recombination rate of photo-induced electron-hole pairs.Furthermore，the composite had wider photoabsorption region compared with pure ZnO，which increased utilization rate of solar energy.

Key words：semiconductor； ZnO； g-C3N4； heterojunction； photocatalytic activity

利用清潔、儲量大的太陽能催化降解水中有機污染物是一種既環(huán)保又節(jié)能的手段，而作為光催化技術核心的半導體光催化材料引起了廣泛關注[1-5].通常情況下，純相半導體光催化劑太陽能利用率低、光生電子-空穴對復合率高等缺點導致其光催化活性不佳.大量研究表明，將能帶匹配的兩種或多種單相半導體光催化材料復合形成具有異質結構的復合光催化材料可有效改善其光催化性能[6-8].因此，與單相半導體光催化劑相比，復合半導體光催化材料的光催化性能更為優(yōu)異，具有非常廣泛的應用前景.氧化鋅禁帶寬度約為3.2 eV，是一種Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶n型半導體材料[9].納米尺寸的ZnO由于表面效應、宏觀量子隧道效應等而具備較好的光催化、電學、磁學等性能[10-12].然而，ZnO帶隙較寬，只能吸收太陽光中很少部分的紫外光，在可見光下基本無響應，限制了ZnO在光催化方面的應用.一直以來，眾多學者為改善ZnO的光催化活性嘗試了很多方法.Zheng等人[13]通過兩步溶劑熱法成功制備了摩爾比Zn/Sn=1的SnO2/ZnO異質結納米催化劑，實驗結果表明，SnO2/ZnO異質結納米催化劑比純相ZnO具有更優(yōu)異的光催化活性.石墨相氮化碳（g-C3N4）是一種非金屬n型半導體材料，帶隙約為2.7 eV[14]，對可見光有較高的利用率.較多的理論研究工作證實，g-C3N4是氮化碳最穩(wěn)定的存在形式，不易與其他物質發(fā)生反應，并且它有一定的抗酸、堿腐蝕能力，同時也有較高的量子效率，是一種廉價的光催化劑，在光催化領域應用較為廣泛[15-17].然而g-C3N4光生電子-空穴復合率高，在一定程度上其光催化活性受到了限制.endprint

為改善ZnO的性能并進一步提高g-C3N4的光催化活性，本文從材料的制備出發(fā)，以三聚氰胺和六水合硝酸鋅為原料，通過一步煅燒法制備ZnO/g-C3N4復合物粉末，并以甲基橙溶液（MO）作為模擬污染物，對所得材料的光催化活性進行了系統(tǒng)測試，結合實驗結果進一步討論了材料的光催化降解機理.

1 實驗部分

實驗過程中使用的試劑均為分析純，使用時不需進一步純化，所用水均為二次去離子水.

1.1 純相g-C3N4的制備

稱取5.0 g三聚氰胺（C3H6N6）粉末置于坩堝中，升溫速率設定為4 ℃/min，在溫度520 ℃下，于馬弗爐中煅燒4 h.隨爐冷卻至室溫后，收集所得淡黃色產物，即為純相g-C3N4.

1.2 ZnO/g-C3N4復合材料的制備

稱取0.010 mol六水合硝酸鋅（Zn（NO3）2·6H2O），將其溶于20 mL去離子水中，磁力攪拌10 min至其完全溶解，形成澄清溶液后，加入0.010 mol三聚氰胺粉末，再次磁力攪拌30 min，后轉移至80 ℃的水浴鍋中邊加熱邊攪拌，蒸干部分溶劑至粘稠狀后，轉移至鼓風干燥箱中，于60 ℃溫度下干燥12 h后，置于馬弗爐中，520 ℃下煅燒4 h，所得產物即為ZnO/g-C3N4復合物.

采用上述同樣的過程制備純相ZnO，只是不加入三聚氰胺粉末.

1.3 樣品的表征

利用Rigaku D/Max-2400型轉靶全自動X射線粉末衍射儀（X-ray Diffraction，XRD）確定產品的物相和純度，Cu Kα線（λ= 1.541 78 ）作為發(fā)射光源，加速電壓為40 kV，電流為100 mA，掃描速度為8°/min；掃描電鏡照片（FE-SEM）來自Hitachi S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，工作電壓分別為10 kV和15 kV；透射電鏡照片（TEM）來自日本JEOL公司生產的JEM-3010型透射電子顯微鏡；紫外/可見吸收光譜來自Hitachi Model U-4100固相紫外/可見/近紅外吸收光譜儀，掃描范圍為300～800 nm，測試過程中，BaSO4作為參比材料；本實驗采用島津IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀獲取所得樣品的紅外光譜圖，以溴化鉀作為參照物.

1.4 光催化性能測試

本實驗中采用甲基橙（MO，methyl orange）溶液作為模擬污染物，在甲基橙溶液中加入光催化劑并在光照射一定時間后，根據甲基橙溶液濃度的變化評估樣品的光催化性能.具體操作過程如下：在石英杯中加入400 mL濃度為5.0 mg/L的MO溶液，稱取0.30 g樣品粉末分散于MO溶液中，調整攪拌速度為360 r/min左右.首先MO溶液置于暗態(tài)下處理40 min，使其達到吸附-脫附平衡.之后打開氙燈光源（XQ350W可調型氙燈電源），設置電流為12.6 A，不斷攪拌下，對溶液進行光照，光照時間為120 min.從暗態(tài)處理至光照的整個過程中，每隔20 min取樣約10 mL，迅速離心，取上清液，采用上海元析有限公司生產的UV-6000PC型紫外-可見分光光度計對上清液做紫外-可見吸收光譜測試，測試范圍為200～800 nm，掃描速率為0.002 nm/s.為排除MO溶液自降解性的可能，在不加入任何光催化劑的前提下，以相同的處理方法測定了一組空白MO溶液的自降解.

2 結果與討論

2.1 所得樣品的物相分析

通過X射線衍射儀分析所得樣品的物相結構及組成.圖1為所得純相ZnO、純相g-C3N4以及ZnO/g-C3N4復合材料的XRD圖譜.如圖1所示，對于ZnO樣品的XRD圖譜，與PDF卡片中的JCPDS No.36-1451相符合，衍射峰所對應的2θ值31.7°，34.4°，36.2°，47.5°，56.6°，62.7°，66.4°，67.9°，69.0°，72.5°，76.9°分別對應（100），（002），（101），（102），（110），（103），（200），（112），（201），（004）和（202）晶面，證明該樣品為具有六方纖鋅礦結構的ZnO，其晶格參數為a=b=3.25 ， c = 5.21 .對于g-C3N4樣品的XRD圖譜，2θ值為13.5°和27.3°處的衍射峰分別為g-C3N4的（100）和（002）晶面，對應于共軛碳環(huán)（002）晶面的層間堆垛及（100）晶面的面內結構堆垛.ZnO/g-C3N4復合材料的XRD圖譜具有與ZnO，g-C3N4衍射峰位置相同的衍射峰，這表明該樣品為ZnO/g-C3N4復合材料.此外，3種樣品的XRD圖譜中均沒有出現多余的衍射峰，表明所得樣品沒有其他雜質，純度較高.

2.2 樣品形貌分析

圖2給出了純相ZnO，g-C3N4以及ZnO/g-C3N4復合物樣品的SEM圖.圖2（a）中，純相ZnO呈分散的顆粒狀，大小不一，尺寸分布不均勻，可能是因為在煅燒過程中，六水合硝酸鋅中結晶水的析出，使得ZnO形成大小不一、沒有固定形狀的ZnO顆粒.從圖2（b）可以看到，g-C3N4呈現出片層結構.圖2（c）為ZnO/g-C3N4復合材料，從圖中可以明顯看出g-C3N4上覆蓋了很多ZnO顆粒，與上述XRD結果相符合.另外，ZnO顆粒沒有完全覆蓋g-C3N4表面，因此不會影響g-C3N4對光的吸收.圖3是ZnO/g-C3N4復合物樣品的TEM和HR-TEM圖.從圖3（a）可以發(fā)現，圖中明顯有兩種不同的物相：一種物相呈短棒狀，而另一種呈片狀.從圖3（b）中可以觀察到短棒狀的物質有明顯的晶格條紋，其條紋間距為0.26 nm，與ZnO （002）晶面的晶面間距相符.結合上述XRD結果，可以推斷短棒狀的物質為ZnO，片狀物相為g-C3N4.透射表征表明了復合物中形成了ZnO和g-C3N4之間異質結構.與純相g-C3N4相比，ZnO和g-C3N4之間異質結構的形成，更有助于光生電子空穴對的有效分離，提高材料的光催化性能.endprint

2.3 紅外光譜分析

圖4為所制得樣品的紅外光譜（FT-IR）圖.從圖中可以看出，純相ZnO在500 cm-1范圍內有一個較寬的吸收峰，這歸結于Zn-O伸縮振動[18-19] ，另外兩個不太顯著的較寬吸收峰在3 500和1 650 cm-1處，這歸結于樣品表面吸附的水和羥基引起的[20].對于純相g-C3N4而言，則存在3個明顯的特征區(qū)域峰：在3 000～3 600 cm-1之間的寬吸收峰歸結于N-H伸縮振動引起的[21-22]；在1 240～1 640 cm-1之間的強吸收峰歸結于C-N和C@N雜環(huán)的典型伸縮振動引起的[23-24]；在810 cm-1附近的吸收峰與s-嗪環(huán)的振動有關[25-26].對于復合材料ZnO/g-C3N4，從其譜圖中可以看到，既具有ZnO的典型吸收峰，又具有g-C3N4的典型吸收峰，其中1 240～1 640 cm-1和810 cm-1附近的吸收峰歸屬于g-C3N4的典型伸縮振動引起的，這也表明了復合物中g-C3N4的存在.而在500 cm-1范圍內的吸收峰則表明了ZnO的存在.

2.4 紫外-可見漫反射光譜分析

圖5是純相ZnO，g-C3N4以及ZnO/g-C3N4復合物樣品的漫反射光譜圖.從圖中可以看出，純相ZnO的吸收限約為400 nm，對可見光幾乎不響應.而g-C3N4吸收限接近470 nm，在可見光區(qū)域有強烈的吸收.與純ZnO和g-C3N4相比，將兩者復合制成的ZnO/g-C3N4復合物的吸收限介于ZnO和g-C3N4之間，顯示出復合物的光吸收特點，其最大光吸收邊的位置相對于純相ZnO發(fā)生明顯的紅移，向長波長方向移動，擴大了太陽光的利用范圍，可以更加有效地利用可見光.

半導體禁帶寬度是導帶的最低能級和價帶的最高能級之間的帶隙，用符號Eg表示，由式（1）可計算半導體物質的禁帶寬度[21]：

ahv=A（hv-Eg）n/2（1）

式中：a，h和v分別為吸收系數、普朗克常數（6.626×10-34 J·s）和光的頻率；A為常數；n取決于半導體材料光躍遷的類型.ZnO和g-C3N4的n均取值為1[27].圖5（b）是分別用純相ZnO和g-C3N4的（ahv）2對（hv）的關系作出的兩條曲線，將曲線的直線部分外推，可求出ZnO和g-C3N4的禁帶寬度分別約為3.12 eV和2.79 eV，與文獻值基本相符[9，14].

2.5 光催化性能研究

本實驗以甲基橙（MO）溶液作為模擬污染物，對所得樣品的光催化性能進行了系統(tǒng)研究，實驗結果如圖6所示.圖6（a）為不加入催化劑時，僅有光照存在MO溶液的自降解情況，由圖可見，MO在465 nm處有一個最大吸收峰，不加入光催化劑時，各個測試時間段的吸光度曲線基本重合，表明整個測試過程中，MO溶液濃度幾乎不變，即不加任何光催化劑時，MO溶液不具有自降解性能.圖6（b），（c），（d）分別為加入ZnO，g-C3N4和ZnO/g-C3N4復合物時，MO溶液吸光度隨時間變化的關系曲線，圖6（e）為各樣品的降解率隨處理時間的變化曲線.由圖6可知，純相ZnO和g-C3N4的暗態(tài)0 min與暗態(tài)40 min曲線基本重合，表明ZnO和g-C3N4粉末對MO吸附非常少，而ZnO/g-C3N4復合物粉末對MO吸附較大（圖6（d）），ZnO/g-C3N4復合物粉末對MO的吸附量明顯比相同質量的ZnO和g-C3N4粉末大.對3種所得樣品，暗態(tài)處理20 min和暗態(tài)處理40 min后的吸光度曲線基本重合，表明加入了ZnO，g-C3N4以及ZnO/g-C3N4復合物的MO溶液經暗態(tài)處理40 min后均達到了吸附-脫附平衡.光照120 min后，純相ZnO和g-C3N4粉末對MO的降解度分別達到18%，30%左右，而ZnO/g-C3N4復合材料對MO溶液的降解度則達到94%左右，結果表明復合樣品的光催化性能顯著增強.

為了更為直觀地比較各個組分之間的光催化性能，對純相ZnO，純相g-C3N4及ZnO/g-C3N4復合材料的降解速率進行了計算，結果示于圖6（e）中.從圖可以看出，各個組分的實驗數據經過式（2）變換后[28]，能很好地與一階模型相吻合.

ln（C/C0） = -kt（2）

式中k值代表光催化降解速率，單位是min-1，能夠很好地反映樣品光催化降解性能的優(yōu)劣；C0代表MO溶液的初始濃度；C代表在光照時刻t時MO溶液的濃度，單位均是mg/L.由朗伯-比爾定律（Lambert-Beer Law）可知，MO溶液的濃度則是與

溶液的吸光度成正比，即有：C/C0 =A/A0=t時刻最大吸收峰強度/零時刻的最大吸收峰強度.經計算得知，空白樣直線的斜率大小為9.854 9×10-5，接近于0，而純相ZnO，純相g-C3N4及ZnO/ g-C3N4復合材料的光催化降解速率k分別為：0.001 66 min-1，0.002 76 min-1，0.023 98 min-1，表明復合材料表現出最優(yōu)異的光催化性能，其對MO的降解速率分別約為純相ZnO的14倍和g-C3N4的9倍.這一結果表明將ZnO與g-C3N4復合能夠明顯提高樣品的光催化性能.

2.6 光催化降解機理討論

從上述實驗結果可知，ZnO/g-C3N4復合材料相對于純相ZnO和純相g-C3N4，其光催化性能顯著增強.這種現象可以從兩個方面進行解釋：1）復合樣品材料具有比純相ZnO更大的光吸收范圍，提高了太陽光的利用率；2）ZnO/g-C3N4界面處形成內電場驅動光生載流子有效分離.由上述計算結果可知，ZnO和g-C3N4的禁帶寬度分別約為3.12 eV和2.79 eV.半導體物質的價帶和導帶帶勢可由式（3）和（4）計算[29]：

EVB=χ-Ee+0.5Eg（3）

ECB=EVB- Eg（4）endprint

式中： EVB和ECB分別為半導體價帶和導帶的電位；χ為半導體的電負性值； Ee為自由電子的能量；Eg為半導體的禁帶寬度.ZnO和g-C3N4的χ分別取值為5.95 eV和4.72 eV，Ee取值為4.5 eV[30].計算可得，ZnO的價帶和導帶的帶勢分別為3.05 eV和-0.15 eV，而g-C3N4的價帶和導帶的帶勢分別為1.5 eV和-1.13 eV.顯然，g-C3N4的價帶和導帶的電位分別比ZnO的價帶和導帶電位更負.

如圖7所示，當太陽光照射復合材料時，價帶上的自由電子吸收光子能量躍遷到導帶上，同時在其價帶上留下相同數目的空穴.ZnO和g-C3N4匹配的能帶結構形成

“臺階”，光生電子移動到ZnO的導帶上，而空穴則聚集在g-C3N4的價帶上，因此大大降低了電子和空穴的復合率.移動到催化劑表面的光生電子與復合物光催化劑表面吸附的溶解氧結合生成超氧自由基（·O2-），而空穴與OH-和水反應生成羥基自由基（·OH-），并進一步形成H2O2. ·O2-，·OH-以及H2O2等都具有很強的氧化性，它們與甲基橙發(fā)生氧化還原反應，實現對甲基橙的降解[31-32].

3 結 論

本文以分析純三聚氰胺和六水合硝酸鋅為原料，通過一步法得到ZnO/g-C3N4復合物，并進行光催化降解甲基橙溶液實驗來評測樣品的光催化活性.結果表明，復合后的ZnO/g-C3N4復合材料形成異質結構，降低了光生電子和空穴的復合率.此外，與純相ZnO相比，復合材料的最大光吸收邊位置發(fā)生了明顯的紅移，擴大了對太陽光的吸收范圍，提高了對太陽能的利用率.因此，ZnO/g-C3N4復合材料展現出比純相ZnO，g-C3N4更優(yōu)異的光催化降解性能.

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