Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水中有机污染物

闫 盛

（陕西省石油化工学校,陕西 西安 710061）

摘 要：利用Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水体中的有机污染物是一项非常有前景的水处理技术，本文利用电化学沉积方法，在锌盐的水溶液中沉积制备Cu基ZnO薄膜，并以较难降解的偶氮类有色化合物甲基橙是为例，紫外光照射下，用制备好的Cu基ZnO薄膜降解水中甲基橙，结果表明有很好的催化降解效能。该技术还没有得到广泛应用，有待于进一步完善。

关键词：紫外光催化降解；甲基橙；Cu基ZnO薄膜

中图分类号：X703；O644 文献标识码：A

环境工程

Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水中有机污染物

闫 盛

（陕西省石油化工学校,陕西 西安 710061）

摘 要：利用Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水体中的有机污染物是一项非常有前景的水处理技术，本文利用电化学沉积方法，在锌盐的水溶液中沉积制备Cu基ZnO薄膜，并以较难降解的偶氮类有色化合物甲基橙是为例，紫外光照射下，用制备好的Cu基ZnO薄膜降解水中甲基橙，结果表明有很好的催化降解效能。该技术还没有得到广泛应用，有待于进一步完善。

关键词：紫外光催化降解；甲基橙；Cu基ZnO薄膜

中图分类号：X703；O644 文献标识码：A

Abstract：Degradation of organic pollutants in water catalyzed by copper-based zinc oxide film under UV is a forward-looking technology.The copper-based zinc oxide film was prepared by electrochemical depositionmethod which deposited Cu in zinc salt solution.Themethyl orange was degraded by copper-based zinc oxide film under UV,the results showed better degradation performance.The technology hasn't been widespread applied,should be further improved.

Key words：degradation by UV;methyl orange;copper-based zinc oxide film

自1972年日本学者Fujishima.A和Honda.K首次发现光催化化降解水中有机物，目前该项技术在理论和实际应用中都取得较大的发展。这种方法与传统水处理技术中以污染物的分离、浓缩以及相转移等为主的物理方法相比，具有明显的节能、高效、污染物降解彻底等优点。光催化降解处理有机污染物的机理通常被认为是：当半导体材料吸收的光能高于一定能量时，就会被激发而与水、电子及溶解氧发生反应，分别产生了HO-和由于 HO-和O-都

2具有强氧化性，从而促进有机物的氧化降解。

作为理想的光催化剂[3]，半导体材料具有价廉、无毒、稳定、作用时间长、可回收利用等特点。其中ZnO的综合性能好于其它的半导体材料[4]，因此，选择ZnO薄膜光催化降解水中有机污染是很有前景的水处理技术，作者尝试性对此做了些浅显探索。

1 仪器设备及试剂

电热恒温水浴锅（上海医疗器械五厂）；HDV-7C晶体管恒电位仪（福建省三明市无线电二厂）；TG328B分析天平（上海天平仪器厂）；pHS-25C实验室 pH计（上海理达仪器厂）；SRJX-4-13高温箱式电阻炉（北京市永光明医疗仪器厂）；紫外灯（南京紫外电器有限责任公司（20W））；721E型可见分光光度计（上海光谱仪器有限公司）；213型铂电极（上海精密仪器有限公司）；此外，本实验还用到了砂纸、容量瓶、烧杯、比色管等。

Na3PO4、HNO3、HSO4、NaOH、HCL、NaNO3、K2SO4、甲基橙、Zn（NO3）2·6H2O（A.R.）。

2 实验步骤

2.1 ZnO薄膜的制备[5]

采用自制的简单电解池体系，锌片做阳极，分别用Cu导电玻璃作为阴极，在恒电流的条件下沉积ZnO薄膜。

2.1.1 衬底的预处理 将金属铜片依次用120～320目砂纸打磨，以自来水冲洗净。接着用碱液（称取2～3g Na2CO3和2～3g Na3PO4配置成50mL溶液）在70～80℃下除油15min，然后进一步酸洗去除衬底表面的氧化物，其酸洗溶液的成分及规范见表1。

表1 酸洗溶液的成分及规范Tab.1 The solution composition and norms

其中硝酸具有整平作用，少量盐酸起光亮作用。处理时温度必须严格控制。将铜衬底在酸洗液中浸1～3s后立即拿出，用大量蒸馏水冲洗后自然晾干以备用。2.1.2 沉积Cu基ZnO薄膜 本实验用HNO3和KOH溶液控制pH值为5.5左右，采用两电极体系，锌片作为阳极，Cu片为阴极。电流不能过大，保持在3mA·cm-2以下为宜。电解液为用蒸馏水配置的浓度为 0.5～1.0mol·L-1Zn（NO3）2水溶液，电解池置于恒温水浴槽中，沉积温度为65℃，两电极间距为2.5cm，沉积时间为15min。能沉积出晶粒非常小、表面较为光滑的ZnO层[6]。

2.2 利用Cu基ZnO薄膜催化降解甲基橙

2.2.1 甲基橙溶液最大吸收波长的测定与标准曲线的绘制

2.2.1.1 甲基橙溶液最大吸收波长的测定 配制25mg·L-1的甲基橙溶液，从波长390nm开始测吸光度，其数据见图1和表2。

图1 甲基橙最大吸收波长的测定Fig.1 Determination ofmaximum absorption wavelength of methyl orange solution

表2 甲基橙溶液最大吸收波长的测定Tab.2 Determination ofmaximum absorption wavelength of methyl orange solution

由图1可得甲基橙溶液在458nm处有最大吸收。

2.2.2.2 甲基橙溶液的标准曲线 在10个25mL的比色管中分别加入 0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、15.0、20.0、25.0mL甲基橙标准使用液（25mg·L-1），用蒸馏水稀释至标线，在458nm下用721分光光度计分别测其吸光度见表3和图2。

表3 甲基橙溶液的C-A测定Tab.3 C-A determination ofmethyl orange solution

图2 甲基橙标准曲线的测定Fig.2 Determination ofmethyl orange standard curve

得到的标准方程和相关系数：

式中 y：甲基橙吸光度；x：甲基橙溶液浓度，mg·L-1。

理论上去除率=（原始浓度-处理后浓度）/原始浓度×100%，但从上面所做的甲基橙标准曲线说明吸光度和浓度基本呈线性关系。因此，后续实验中去除率可以用吸光度的变化来表征，即去除率=（原始吸光度-处理后吸光度）/原始吸光度×100%，可用公式表示为:去除率=（A0-At）/A0×100%。

2.2.2 pH值对甲基橙紫外光降解的影响 本实验通过NaOH溶液和稀HCl调节pH值,采用Cu基ZnO薄膜，于石英容器中加入25mg·L-1的甲基橙溶液40mL，在紫外光下照射2h，每30min取一次样，用721型分光光度计测其吸光度。计算出去除率，考察其变化对甲基橙降解的影响，实验结果见表4和图3。

表4 pH值对甲基橙去除的影响（铜基体）Tab.4 pH value on the influence ofmethyl orange removal（Coppermatrix）

图3 pH值对甲基橙去除的影响(铜基体)Fig.3 pH value on the influence ofmethyl orange removal（Coppermatrix）

由图3的曲线可以发现，甲基橙在酸性和中性条件下的降解率高于在碱性条件下，而在酸性条件下略高于中性条件下。即ZnO薄膜在不同pH值下的光催化效果：酸性＞中性＞碱性。

此外，在无紫外光照射下，用铜基ZnO薄膜处理甲基橙2h。实验发现，甲基橙去除率均小于2%，这就说明甲基橙的去除主要是紫外光催化的结果。

3 结论

本实验用阴极电化学沉积的方法在铜沉积ZnO薄膜，实验发现在温度为65℃条件下，Zn（NO3）2浓度 1mol·L-1，pH 值 5.5，电流密度 3mA·cm-2时可在铜基体上沉积出光滑致密的ZnO薄膜。

用沉积得到的ZnO薄膜紫外光催化降解甲基橙，发现铜基的ZnO薄膜具有明显的光催化性能。探讨了甲基橙初始浓度、pH值对甲基橙降解过程的影响。从实验结果可以得出甲基橙在偏酸性条件下的降解率较高。

利用ZnO薄膜紫外光催化降解水体中的有机污染物是一项非常有前景的水处理技术，但还没有广泛应用于实际中，有待于进一步完善。

［1］陈士夫，梁新，等.空心伯利微球负载TiO2光催化降解有机磷农药［J］.感光科学与光催化，1999,17（1）：85-91.

［2］胡清，王怡中，汤鸿霄.多相光催化氧化的理论与实践发展［J］.环境科学进展，1995,3（1）：55-62.

［3］左国防，杨声，王小芳.太阳光-二氧化钛催化降解水中有机污染物的研究［J］.天水师范学院学报，2001,21（2）:42-43.

［4］李秀艳,刘平安,曾令可,等.纳米 ZnO光催化降解甲基橙研究［J］.分析测试学报，2007,26（1）:38-41.

［5］王英连,孙汪典.ZnO薄膜光催化降解苯酚实验［J］.化学工程，2006,34（3）:39-42.

［6］陈志刚,唐一文,张丽莎,等.氧化锌薄膜的电化学沉积和表征［J］.物化学学报，2005,21（6）:612-615.

Degradation of organic pollutants in water catalyzed by copper-based zinc oxide film under UV

YAN Sheng

（Shanxi Petrochemical Engineering College,Xi'an 710061,China）

1002-1124（2011）07-0034-03

2011-04-25

闫 盛（1971-），女，陕西咸阳人，讲师，1995年毕业于西北大学，现就职于陕西省石油化工学校环境工程系，从事教学工作。