溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅

溶膠-凝膠法制備納米氧化鋅

納米材料是目前材料領(lǐng)域的研究對(duì)象。納米氧化鋅可以吸收紫外線,當(dāng)其受到紫外線照射,在水和空氣(氧氣)中,能自行分解出自由移動(dòng)的帶負(fù)電的電子(e-),同時(shí)留下帶正電的空穴(H+)。這種空穴可以將空氣中的氧變成活性氧,有極強(qiáng)的化學(xué)活性,能與大多數(shù)有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)(包括細(xì)菌類的有機(jī)物),從而可以把大多數(shù)的病菌和病毒殺死。此外,納米氧化鋅材料無(wú)毒、無(wú)味,不分解、不變質(zhì)、穩(wěn)定性好,對(duì)皮膚無(wú)刺激,有收斂、消炎、防皺和保護(hù)等功能,因此,在日用化工及醫(yī)藥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。納米氧化鋅尺寸小,比表面積大,表面的鍵態(tài)與顆粒內(nèi)部的鍵態(tài)不同,表面原子配位不全,這將導(dǎo)致表面活性位置增多,形成凸凹不平的原子臺(tái)階,加大了接觸面。因此,納米氧化鋅催化劑的催化活性和選擇性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)催化劑,其催化速度是普通氧化鋅的100~1000倍。1實(shí)驗(yàn)1.1儀器、試藥與儀器分析天平,UX-4200S型,島津國(guó)際貿(mào)易上海有限公司;箱式電阻爐,SX2-4-10,北京電爐廠;紫外可見分光光度計(jì),752型,上海光譜儀器有限公司;X射線衍射儀,日本理學(xué)D/max-2200PC;冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,日立S4800。乙酸鋅,分析純,汕頭市西隴化工廠有限公司;草酸,分析純,北京化工廠;甲基橙,分析純,北京化工廠。1.2酸法反應(yīng)產(chǎn)物1)分別稱取一定量的乙酸鋅和草酸;2)將乙酸鋅倒入三口燒瓶中,加入一定量的無(wú)水乙醇,充分?jǐn)嚢枋怪旌暇鶆?3)將三口燒瓶放入水浴鍋中,開始加熱攪拌,攪拌期間,將稱取的草酸配制成草酸的醇溶液倒入恒壓滴液漏斗中開始滴加,反應(yīng)時(shí)間為2h;4)將反應(yīng)生成物進(jìn)行抽濾,并分別用蒸餾水和無(wú)水乙醇潤(rùn)洗;5)將所得產(chǎn)物放置于干燥箱內(nèi)烘干并研磨,倒入坩堝中放置于馬弗爐內(nèi),在設(shè)定溫度下焙燒2h;6)取出焙燒后產(chǎn)物,分別用蒸餾水和無(wú)水乙醇潤(rùn)洗;7)將所得產(chǎn)物放置于干燥箱內(nèi)烘干,得納米ZnO顆粒。1.3氧化鋅的性能納米氧化鋅的晶相結(jié)構(gòu)在D/max-2200PCX射線衍射儀上測(cè)定;形貌用日立S4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)定。1.4甲基橙溶液初始濃度a在50mL燒杯中加入40mL濃度為20mg/L的甲基橙溶液和0.1g的納米氧化鋅,在避光條件下充分?jǐn)嚢枋怪纬蓱腋◇w系;在400W高壓汞燈照射下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)。在光照15min后在4000r/m離心分離1h,取上層清液用紫外—可見分光光度計(jì)在460nm處測(cè)量樣品的吸光度并記錄數(shù)據(jù)。不同濃度的甲基橙溶液對(duì)應(yīng)不同的吸光值,甲基橙溶液濃度在0~45mg/L范圍內(nèi)吸光值與濃度有很好的線性關(guān)系,溶液在460nm處有最大吸收峰,氧化鋅降解甲基橙的降解率可以由以下公式得出:D=(A1?At)/A1D=(A1-At)/A1式中,D為降解率;A1為甲基橙溶液初始濃度對(duì)應(yīng)的吸光值;At代表t時(shí)刻甲基橙溶液濃度對(duì)應(yīng)的吸光值。2結(jié)果與討論2.1x-射線衍射分析對(duì)制備的納米氧化鋅進(jìn)行焙燒處理,焙燒溫度分別為350℃、450℃、550℃、650℃、750℃,考察溫度對(duì)氧化鋅結(jié)構(gòu)的影響。X射線衍射圖如圖1所示。由圖1可以看出:采用溶膠-凝膠法制備的納米氧化鋅在不同焙燒溫度下X-射線的衍射峰都非常尖銳,圖譜中無(wú)雜質(zhì)峰的存在,樣品的結(jié)晶程度和純度都比較高。隨著焙燒溫度的升高,衍射峰變化不明顯,表明納米氧化鋅的晶形趨于完整,此時(shí)的晶粒也已經(jīng)長(zhǎng)大。與JCDPS卡片5-0664對(duì)比,得出制備的樣品為六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。通過(guò)Scherrer公式D=Kλ/βcosθ計(jì)算得出樣品顆粒粒徑(見表1)。式中,K為Scherrer常數(shù),其值為0.89;D為晶粒尺寸(nm);β為積分半高寬度,在計(jì)算的過(guò)程中,需轉(zhuǎn)化為弧度(rad);θ為衍射角;λ為X射線波長(zhǎng),為0.154056nm)。2.2焙燒溫度對(duì)sem圖的影響對(duì)制備的納米氧化鋅進(jìn)行了形貌分析,圖2、圖3選取的是焙燒溫度分別為350℃、450℃的SEM圖。從圖2和圖3可以看出,樣品顆粒形狀基本上為球形,顆粒大小比較均勻,在空間上顆粒之間有序分布。2.3焙燒溫度對(duì)納米氧化鋁光催化降解甲基橙效果的影響以濃度為20mg/L的甲基橙溶液為模擬污染物,改變焙燒溫度(溫度分別為350℃、450℃、550℃、650℃、750℃)制備的納米ZnO,考察在光照40min時(shí),焙燒溫度對(duì)納米氧化鋅光催化降解甲基橙效果的影響。如圖4所示。由圖4可以看出,焙燒溫度對(duì)納米氧化鋅的光催化性能有一定影響,不同溫度下降解率不同,在焙燒溫度450℃時(shí)光催化性能較好,可以達(dá)到61%。根據(jù)X射線衍射圖譜可知:盡管450℃較350℃的粒徑大,但光催化性能仍較高,這是因?yàn)樵?50℃合成的氧化鋅納米晶發(fā)育較好,晶體結(jié)構(gòu)較完整。由于450℃合成的氧化鋅納米晶已經(jīng)發(fā)育完整,若繼續(xù)升高煅燒合成溫度會(huì)使氧化鋅納米晶長(zhǎng)大,比表面積減小,催化活性降低,故在大于550℃合成的納米晶催化活性降低。3焙燒溫度對(duì)納米氧化鋅光催化效果的影響X射線衍射圖表明溶膠-凝膠法制備得到的納米氧化鋅的晶形都為六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu),顆粒大小在10~55nm。SEM圖表明,制備的納米氧化鋅顆粒形狀基本上為球形,樣品顆粒大小比較均勻,在空間上顆粒之間有序分布。焙燒溫度對(duì)納米氧化鋅的光催化效果有一定影響,在焙燒溫度450℃時(shí),催化效果較好,可以達(dá)到61%。實(shí)