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纳米氧化锌的改性及其光催化性能研究

作者: 李杰 刘卫霞 徐志花 杨水彬

  摘要:以硝酸锌和硬脂酸为主要原料合成了纳米氧化锌(nano-ZnO),并在后续处理过程中采用正丁醇淬火对氧化锌表面进行改性。通过红外吸收光谱、X射线衍射、紫外-可见漫反射等手段对改性前后样品进行了表征。结果表明,改性纳米氧化锌具有较好的疏水性,可长期悬浮于水的表面,有利于直接用于太阳光催化降解污水。将甲基橙溶液作为模拟废水,考察纳米ZnO在紫外灯和太阳光下的光催化活性。结果表明,改性纳米ZnO比未改性纳米氧化锌具有更好的光催化降解活性。
  关键词:纳米氧化锌;光催化;表面改性;正丁醇
  中图分类号:TQ132.4+1 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)24-6338-04
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.063
  Abstract:Nano-ZnO was prepared using Zn(NO3)2・6H2O and stearic acid as the precursors, and was treated by butyl alcohol quenching. Both the modified and unmodified nano-ZnO samples were characterized by XRD and UV-vis. The experimental results indicated that the modified compound was hydrophobic and could suspend on the surface of water for a long time, which has a potential to be applied in wastewater disposal. The photo-catalytical performance of nano-ZnO was evaluated using methyl orange solution under UV light and sunlight. The result showed that the modified nano-ZnO exhibited a much better photo-catalytic activity, compared to the unmodified nano-ZnO under the same conditions.
  Key words:nano-ZnO; photocatalysis; surface modification; butyl alcohol
  纳米氧化锌(nano-ZnO)是一种新型高功能精细无机产品。由于材料的纳米化,使得纳米氧化锌产生了其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。目前纳米氧化锌在环境治理方面(如光催化降解有机物废液和染料废液)引起了科学研究者的广泛兴趣。但是,具有较高比表面能的纳米氧化锌易团聚,难于在有机介质中分散,与聚合物结合性能差,直接影响其实际功效。为了降低纳米材料的表面极性,提高纳米粒子在有机介质中的分散能力和亲和力,扩大纳米材料的应用范围,对纳米ZnO进行表面改性意义重大[1-3]。
  利用表面活性剂是较为有效的表面改性手段。常用的表面改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯类偶联剂、硬脂酸、有机硅等。葛岭梅[4]采用KH8454、NDZ201和NDZ311为改性剂对纳米ZnO分别进行表面改性,改性效果很好且便于储存,不易团聚。王国宏[5]通过正交试验以月桂酸钠为改性剂,用量为15%,pH为6,改性时间为1.5 h,改性后的纳米ZnO的亲油化度达到79.12%,能较好地分散于甲醇和二甲苯中。李剑锋等[6]将Zn(Ac)2・H2O溶解在乙醇中,把溶解了LiOH・H2O的乙醇溶液逐滴加入进去,同时,在0 ℃下剧烈搅拌1 h,然后离心20 min。这样就得到ZnO的凝胶体,加入尿素和硼酸的乙醇溶液,将氮化硼(BN)的含量调节至90%。用旋转蒸发器将乙醇溶剂挥发掉,然后在烘箱中烘干,将烘干的混合物分别在200、400和700 ℃下于空气氛围退火7 h。试验证明,BN壳层有效地抑止了纳米粒子的生长,改性后的ZnO作为一种重要的半导体光催化剂有较高的催化活性。目前氧化锌的应用研究已经引起人们的广泛重视,并可能成为TiO2的替代物,因为这2种物质具有相同的光催化机理。据报道,ZnO比TiO2光催化降解效率更高[7],如光催化降解纸浆漂白废水、2-苯基苯酚[8]及苯酚[9]等。
  如何降低纳米氧化锌等材料的制备成本、得到性能优异的光催化材料是当前科研工作者研究的热点,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,因此纳米氧化锌的制备和其光催化性能的研究具有十分重要的意义。本试验采用纳米ZnO作为光催化剂,选用甲基橙染料作为处理对象,研究了纳米ZnO的淬火改性、光催化试验中的光源、纳米氧化锌及改性后纳米氧化锌加入量等因素对甲基橙溶液脱色效果的影响,旨在探讨纳米ZnO的改性和其改性后的光催化性能。
  1 材料与方法
  1.1 改性纳米氧化锌的制备
  向烧杯中加入14.5 g硬脂酸,将其置于CL-4型恒温加热磁力搅拌器上加热至完全熔化,在不断搅拌条件下向熔液中加入15 g Zn(NO3)2・6H2O,待其完全溶解后继续加热反应,直到有红棕色的气体从烧杯中散发出来,停止加热。反应后的溶液倒入坩埚中冷却,待完全固化后转入马弗炉中焙烧,当温度升至600 ℃时取出坩埚,用研钵研磨至粉末状;再次将所得的粉末置于马弗炉中,在600 ℃下焙烧2 h 后取出,趁热将粉末倒入50 mL正丁醇中,静置,用无水乙醇洗涤沉淀数次,以去除正丁醇,在真空干燥箱中50 ℃烘干,研磨得改性纳米ZnO粉末。
论文来源:《湖北农业科学》 2015年24期
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