氧化锌改性方法及其应用的研究进展

赵凤香，安 召，林佳宏，徐家杰，丁志平

(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730124)

随着工业的快速发展，环境问题在世界范围内变得越来越突出，水污染是最严重的问题之一。1976年，Carey等[1]最早使用半导体光催化剂TiO2降解环境污染物多氯联苯，开辟了光催化应用的新领域。

常用的半导体光催化剂有TiO2、ZnO、CdS、SiO2等，近年来也有一些研究表明，ZnO在紫外区的响应要比TiO2强，针对某些有机分子ZnO的降解性能更好，证明其可以用于污水降解、光电材料、光催化产氢等。但因为氧化锌有一定缺陷，比如电子-空穴复合率高、只吸收紫外光、易损失不便回收利用等。本文着重介绍氧化锌改性方法的研究和应用进展。

1 氧化锌的改性方法及其应用

1.1 贵金属沉积改性

贵金属沉积是指通过某种物理或化学方法将纳米级的Ag、Pt、Au等微粒沉积在半导体表面，形成异质结构。贵金属和氧化锌两者的费米能级不同，贵金属可以作为临时仓储来捕获光生电子，提高电子和空穴的分离率，贵金属还可以在可见光的照射下产生表面等离子体共振[2]，提高光催化剂对光的吸收利用效率。

Sun等[3]采用一种生产成本低且易于实现工业化的化学沉淀法，在碱性条件下，以可溶锌盐与硝酸银用葡萄糖一步还原沉淀，制备了Ag沉积改性的纳米Ag/ZnO，Ag离子部分嵌入氧化锌的晶格，增大了晶面间距，XRD图中氧化锌衍射峰的位置发生偏移，在最佳Ag含量沉积的条件下，Ag/ZnO的光催化降解亚甲基蓝的效率是纯氧化锌的1.93倍，光催化效率有了明显的提升，且在此后多次的循环实验中，证明复合材料Ag/ZnO有更强的耐光腐蚀性能。

1.2 半导体复合改性

氧化锌的禁带宽度为3.37 eV，只能吸收紫外光部分，复合不同的具有能级差异的半导体，所形成的异质结构可以提高电荷分离效率，并将光响应范围延伸至可见光区。

彭勇刚[4]在表面活性剂的存在下，直接沉淀制备了纤锌矿ZnO和金红石型SnO2复合而成的光催化剂，在光催化降解亚甲基蓝的实验中，Sn/Zn存在最佳摩尔比为1∶4，反应物浓度和煅烧温度也会对光催化效率产生影响。

Jiang等[5]采用水热法制备微纳米Cu2O球形颗粒，用电化学沉积的方法将其修饰在ZnO薄膜表面，修饰之后的ZnO薄膜有更大的比表面积，吸收边移动至可见光区域，对污染物甲基橙表现出了较好的光催化去除能力。

1.3 离子掺杂改性

赵菲[6]通过一步水浴合成法用不同量的Ce对中空状的ZnO进行掺杂，得到的Ce/ZnO粒径变小，但介孔数量增多，且比表面积是纯ZnO的4.3倍，Ce4+代替Zn2+存在于催化剂表面，有更强的捕获电子能力，对甲基橙的降解率明显高于纯ZnO，且抗光腐蚀能力强可循环利用。

王元有[7]先运用软模板法制备多孔ZnO微球，再用水热法将过渡金属Ni掺杂在ZnO空心微球中，Ni在ZnO表面均匀分布，比表面积增大，其电流密度高于纯ZnO电极，Ni粒子进入晶格增加了氧空位缺陷，提高了光催化性能，当Ni的掺杂量为5%时Ni/ZnO的光催化活性达到最佳。

2 与磁性材料复合改性

在实际应用中，存在纳米光催化剂在水中易团聚、损失率高、重复利用率低、固液分离困难等问题，引入磁性材料与催化剂复合，即可在外加磁场的条件下实现磁转移，是一种十分简便、高效的方法。

李艳芬[8]提出一种热溶剂法，以二水合醋酸锌为锌源，六水合氯化铁为铁源，乙二醇为还原剂和溶剂，一步合成了Fe3O4/ZnO复合材料。由于[Zn(OH)4]2-浓度的不同，所生成的Fe3O4/ZnO复合材料的形貌有纺锤形和多孔正六边形结构。并且在降解亚甲基蓝的实验中，因为紫外光照射和亚铁离子、过氧化氢的协同作用，使Fe3O4/ZnO复合材料光催化性能优越。

3 结语

通过贵金属沉积、离子掺杂、与半导体复合或者负载在碳结构材料上，可以提高氧化锌纳米材料的比表面积，可以加快空穴-电子分离效率提高光催化性能，可以将光响应范围从紫外区延长至可见光区，修饰表面缺陷可以增强抗光腐蚀能力；与磁性材料复合可以减少催化剂的损失，实现多次循环利用。通过以上多种方法改性后的氧化锌在污水处理、光催化剂合成有机中间体等多个领域都表现出良好的性能和应用前景。但是水体污染物还包括抗生素、酚类、重金属等，合成催化剂有更好的代替品，以及较难实验工业化生产等大大小小的问题，因此未来关于氧化锌性能提升的研究仍需要多方面深入探索。