改性纳米氧化锌的光催化性能研究

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　　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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