均相沉淀法制备纳米ZnO及其光催化性能研究

李福颖, 陈 蓉, 林 鹏, 牛 玉



均相沉淀法制备纳米ZnO及其光催化性能研究

李福颖*1,2, 陈 蓉1, 林 鹏1, 牛 玉1,2

(1. 三明学院 化学与化工应用技术研究所,福建 三明, 365004; 2. 福州大学 化学化工学院,福建 福州, 350000)

以硫酸锌和尿素为原料, 采用均相沉淀法制备纳米ZnO颗粒, 并用XRD测试手段对样品进行了表征. 以卤钨灯为光源, 以纳米ZnO为光催化剂, 考察了其降解甲基橙的性能. 结果表明: 500 ℃制备的ZnO, 60 min内使甲基橙降解率达67.8％.

纳米ZnO; 均相沉淀; 光催化; 甲基橙

纳米氧化锌是一种具有优良性能的新型宽禁带、高激发能的半导体材料. 以半导体材料作为催化剂光催化氧化废水中的有机物, 已引起环境工作者的广泛关注[1—5]. 纳米ZnO由于其高效和无毒的特点被认为是极具应用前景的高活性光催化剂之一, 近年来关于它的制备及其光催化性能的研究已经成为催化研究领域的热点, 并得以广泛应用[6]. 本研究以均相沉淀法, 选用ZnSO4·7H2O与尿素等原料, 以不同的焙烧温度制备的纳米ZnO作为催化剂, 选用具有一定代表性的甲基橙染料作为处理对象[7], 研究了纳米ZnO制备过程中的焙烧温度、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的制备、应用条件与催化性能之间的关系.

1 实验

1.1 仪器与试剂

ZnSO4·7H2O, 西陇化工股份有限公司; 尿素, 西陇化工股份有限公司; 甲基橙, 上海试剂三厂. 以上试剂均为分析纯. 无水乙醇, 广东光华科技股份有限公司, 为优级纯.

X’Pert PRO型X-射线衍射仪, 帕纳科公司; JA2003N电子天平, 上海精密科学仪器有限公司; SHB- 3循环水多用真空泵, 郑州杜甫仪器厂; CL-2型恒温加热磁力搅拌器, 巩义市予华仪器有限公司; 箱式电炉(4-13) , 上海康路仪器设备有限公司; DHG-9140型电热恒温鼓风干燥箱, 上海精宏实验设备有限公司; 300 W卤钨灯; 722型分光光度计, 上海精密仪器有限公司.

1.2 纳米ZnO的制备

称取适量的ZnSO4·7H2O和尿素, 分别溶于蒸馏水中配成一定浓度的溶液, 倒入250mL三颈烧瓶中, 反应体系在可调温的水浴中进行, 并控制温度. 在可控磁力搅拌条件下, 逐渐升温至90 ℃, 随着尿素逐渐分解, 溶液出现浑浊, 维持该温度反应一段时间后停止加热, 冷却, 抽滤, 用无水乙醇洗涤滤饼多次, 在真空中干燥, 再置于马弗炉中煅烧3 h, 得到白色纳米氧化锌粉末.

1.3 光催化实验

配置8 × 10-4mol/L的甲基橙溶液250 mL, 取100 mL置于250 mL锥形瓶中, 加入0.3 g纳米氧化锌. 在磁力搅拌条件下, 进行光催化反应. 以300 W卤钨灯作光源. 灯光照射下, 每隔10 min用胶头滴管吸取样品, 用高速离心分离机分离, 选取染料最大吸收波长, 用722型分光光度计测量吸光度.

计算脱色率采用公式:= [(0-) /0] ×100 %, 其中0,为反应前后溶液的吸光度.

图1 尿素与ZnSO4摩尔配比为2∶1的XRD谱图

2 结果与分析

2.1 样品的表征

将研磨好的ZnO样品作XRD物相分析, 如图1、图2所示, 结果与PDF标准卡片对照. 从图1、图2中可以看出, 通过实验制备的样品为ZnO, 并且变宽的衍射峰形成.

通过图1与图2比较可知, 尿素与ZnSO4的摩尔配比为2∶1时制得的ZnO效果更好. 通过图2(a)、图2(b)比较可知, 管电流只对纳米ZnO的XRD物相分析图的强度有一定的影响, 但影响不大.

图2 尿素与ZnSO4的摩尔配比为3∶1的XRD谱图

2.2 光催化性能

2.2.1 焙烧温度对光催化性能的影响

以380 ℃、430 ℃、500 ℃焙烧温度下制备的纳米ZnO为催化剂, 在甲基橙浓度为8 × 10-4mol/L的100 mL溶液中, 分别加入0.3 g纳米ZnO, 300 W石英卤素灯照射下进行反应.

图3是在不同温度下制备的ZnO纳米粉体对甲基橙的光催化降解率随时间的变化曲线. 从图3可以看出, 在500 ℃合成的纳米ZnO对甲基橙的光降解活性较高, 60 min内降解率达67.8%. 这是因为在500 ℃合成的ZnO纳米晶发育较好, 晶体结构较完整. 实验结果表明: 焙烧温度低可能使纳米ZnO粒径增大, 导致催化性能降低. 因此, 为提高纳米ZnO的催化效果可以适当提高制备过程中焙烧温度.

2.2.2 催化剂用量对光催化性能的影响

浓度为8 × 10-4mol/L的甲基橙溶液100 mL, 300 W石英卤素灯照射反应1 h, 不同ZnO用量的条件下, 结果如图4所示.

图3 焙烧温度对纳米ZnO光催化活性的影响

图4 ZnO的量对光催化效果的影响

由图4可知, 当加入0.3 g ZnO时, 降解效果最佳; 继续增加ZnO的量, 降解效率反而降低. 形成这种结果的原因可能是由于固体颗粒ZnO过多, 对光吸收的效率并不能随着用量的增加而升高, 反而遮挡了下层颗粒的光吸收, 导致降解效率没有提升.

3 结论

采用均相沉淀法, 尿素与ZnSO4摩尔配比为2∶1时制得的纳米ZnO晶型更完整, 产率更高. 控制煅烧温度为500 ℃时, 合成的纳米ZnO对甲基橙的光降解活性较高. 在光照100 mL浓度为8 × 10-4mol/L的甲基橙溶液条件下, 当纳米ZnO用量为0.3 g时光降解效果最佳, 60 min内对甲基橙溶液降解率达67.8％.

[1] 张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构[M]. 北京: 科学出版社, 2001: 59—88.

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[6] 牛玉, 李福颖, 逯露, 等. 可见光下尖晶石型氧化物ZnFe2O4的制备及性能研究[J]. 化学研究与应用, 2010, 22(1): 95—98.

[7] 牛玉, 王逸英, 李福颖. 尖晶石型MAl2O4(M=Co, Cu, Zn)复合氧化物催化剂的制备及光催化性能[J]. 三明学院学报, 2009, 26(2): 176—179.

Homogeneous precipitation preparation of Nano-ZnO and its photocatalytic property

LI Fu-ying1, 2, CHEN Rong1, LIN Peng1, NIU Yu1, 2

(1. Applied Technology Institute of Chemical and Engineering, Sanming University, Sanming 365004, China; 2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350000, China)

Using zinc sulfate and urea as raw materials,nanosized ZnO was prepared by homogeneous precipitation method. The samples were characterized by XRD.The degradation of methyl orange by ZnO under tungsten halogen lamps was studied. The results show that the degradation rate of methyl orangeis 67.8% in 60 min.

Nano-ZnO; homogeneous precipitation; photocatalytic; methyl orange

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.01.005

O 643.36

1672-6146(2013)01-0018-03

email: afu198207@163.com.

2013-01-02

三明学院科学研究发展基金项目(B0968/Q); 福建省科技计划重大项目(2010H2006); 福建省高校服务海西建设项目(HX200805); 三明学院大学生创新性实验计划项目(ZL1126/CS)

(责任编校:刘晓霞)