改性纳米氧化锌的光催化性能研究
作者 : 未知

  摘 要:本文考察了光降解时间、亚甲基蓝溶液的PH值、亚甲基蓝溶液的初始浓度、催化剂的用量等对亚甲基蓝光催化降解率的影响。实验结果表明,纳米ZnO具有荧光性,掺入不同的金属离子能够改变纳米ZnO对亚甲基蓝溶液的降解效果,其中掺铈纳米ZnO降解效果最好;掺铬纳米ZnO的降解率最低。
  关键词:纳米ZnO 掺杂 光降解 亚甲基蓝溶液
  氧化锌,俗称锌白,属六方晶系纤锌矿结构,白色或浅黄色晶体或粉末,无毒,无臭,系两性氧化物,不溶于水和乙醇,溶解于强酸和强碱,在空气中能吸收二氧化碳和水。ZnO是具有较大能隙及优良光学性质的n-型半导体材料,常被用于制备场发射显示器及阴极射线发射装置,光催化材料,紫外半导体激光的发生介质,这些应用主要利用了纳米ZnO粒子吸收紫外光后发出荧光的特点。所吸收与发出的荧光波长取决于其能隙大小。如何降低纳米氧化锌等材料的制备成本、也是纳米氧化锌能否应用于环境污染物治理的关键因素之一,因此探讨氧化锌的光催化性能具有十分重要的意义。
  一、实验试剂和实验装置图
  (一)仪器试剂
  79-1磁力加热搅拌器(江苏金坛市中大仪器厂);UV751GD紫外可见分光光度计(重庆医药股份有限公司化玻分公司);真空干燥箱(重庆银河试验仪器有限公司);高硼紫外线杀菌灯管(ZGZ30W启东市海联有限公办公司);水浴锅;电子天平;马弗炉
  乙酸锌、二乙醇胺、四水硫酸铈、硝酸镍、硫酸铬、硝酸铁、无水乙醇、亚甲基蓝均为国产分析纯。
  二、纯纳米ZnO和掺杂纳米ZnO的制备
  量取50ml无水乙醇置于烧杯中,开始搅拌。称取二水乙酸锌约4.39g(0.02mol),搅拌下加入,缓慢滴加二乙醇胺约2ml。在二乙醇胺溶解之后室温下反应3h,静置陈化24h,水浴锅中控制水温在蒸90℃,并在烘箱中烘干,再在马弗炉中150℃预烧结2h后加热至450℃热处理3h,备用。
  量取50ml无水乙醇置于烧杯中,开始搅拌。称取二水乙酸锌约4.39g(0.02mol),九水硝酸铁约0.04g,搅拌下加入,缓慢滴加二乙醇胺约2ml。在二乙醇胺溶解之后室温下反应3h,静置陈化24h,水浴锅中控制水温在蒸90℃,并在烘箱中烘干(80℃-100℃),再在马弗炉中150℃预烧结2h后加热至450℃热处理3h。即得到掺铁纳米ZnO,备用。
  使用上述方法,其中分别加入硝酸铬0.04g,硝酸镍0.04g,50%的硝酸锰0.0178g,硫酸铈0.0404g,分别制得掺铬、掺铈、掺镍纳米ZnO。
  三、纳米ZnO催化氧化的影响
  (一)纳米ZnO用量对降解亚甲基蓝的影响(测得10mg/l的初始吸光度为2.611)
  分别量取四份10mg/L的亚甲基蓝溶液各50ml,然后再分别加入0.025g,0.050g,0.075g,0.1g纳米ZnO,在搅拌的情况下,用30W的紫外灯照射,每隔0.5h取一次样,用分光光度计在最大吸收波长665nm处测定其吸光度值,并计算其降解率,连续记录4次。
  可以得出的结论是,纳米ZnO的用量多少对亚甲基蓝溶液的降解率是有影响的,过多或过少都会抑制其降解率,只有在加入0.075g的纳米ZnO时对亚甲基蓝的降解率达到最佳值。
  (二)不同掺杂物的纳米ZnO对亚甲基蓝降解率的影响
  取四个小烧杯,每个烧杯中分别加入配制好50ml浓度为10mg/l的亚甲基蓝溶液,再分别称取0.100g不同种类的光催化剂样品,其中分别包括纳米ZnO、掺铈纳米ZnO、掺铁纳米ZnO、掺铬纳米ZnO等,将四种催化剂分别加入到放有亚甲基蓝液体的小烧杯中,并做好标记,在搅拌的情况下用30W的紫外灯照射,每隔30min取一次样。用分光光度计在最大吸收波长为665nm处测定其吸光度值,并计算其降解率,连续记录4次。
  可以得出的结论是,不同掺杂物的纳米ZnO对亚甲基蓝溶液的降解率的影响是不同的,其中纳米ZnO中掺入金属铈以后能够促进其对亚甲基蓝溶液的降解率,而掺入金属铁和铬以后则是抑制其的降解率,金属铬的抑制作用更大。
  (三)溶液的pH对降解率的影响
  分别用浓硫酸和氢氧化钠溶液调节浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液的pH值为3、5、7、9、11,并各取50ml不同pH值的亚甲基蓝液体,放到烧杯中做好标记,再同时加入0.1g纳米ZnO,在搅拌的情况下,用30W的紫外灯照射,每隔0.5h取一次样。取样后用分光光度计(751GD)在最大吸收波长为665nm时测定其吸光度值,并计算其降解率,连续计算4次。
  当纳米ZnO在亚甲基蓝溶液的pH=11时,对亚甲基蓝溶液的降解率达到最大值。
  (四)亚甲基蓝初始浓度对降解率的影响
  分别配制1mg/L,2mg/L,3mg/L,4mg/L,5mg/L的亚甲基蓝溶液,再分别取50ml放入到烧杯中,再同时加入0.1g的纳米ZnO,在搅拌的情况下,用30W的紫外灯照射,每隔0.5h取一次样,用分光光度计(751GD)在最大吸收波长为665nm处测定其吸光度值,并计算其降解率,连续记录4次。
  可以看出当亚甲基蓝初始浓度不同时,在其他实验条件一致的情况下,纳米ZnO对各个溶液的降解率是随浓度的升高而降低的,浓度越大降解率就越小。
  (五)时间的影响
  量取10mg/L的亚甲基蓝溶液50ml,将其倒入小烧杯中,然后再加入0.1g纳米ZnO,在搅拌的情况下,用30W的紫外灯照射,每隔0.5h取一次样,取样后用分光光度计(751GD)在最大吸收波长665nm处测定其吸光度值,并计算其降解率,连续记录4次。
  可以看出在紫外光灯照射下,纳米ZnO对亚甲基蓝溶液的降解率是随时间的推移而递增的,时间越长降解率就越大。可以想象,如果时间足够长的话,降解率是可以无限接近100%的。
  四、结论
  (一)随着纳米ZnO的量的增加其对亚甲基蓝溶液的降解效果呈抛物线趋势,加入0.075g的纳米ZnO时对亚甲基蓝的降解率达到最佳值。
  (二)制备的掺铈纳米ZnO对亚甲基蓝溶液的降解效率高于掺铁、掺铬纳米ZnO以及纯的纳米ZnO。
  (三)纳米ZnO对溶液的降解率是随浓度的升高而降低的,浓度越大降解率就越小。
  (四)pH=11时亚甲基蓝的降解率最高,并且催化剂在碱性性范围内比在酸性范围内的光催化效果好。
  (五)紫外光照射的时间越长,亚甲基蓝的降解率越高。
  参考文献
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