銅氧化物/氧化鋅復(fù)合材料的制備及性能表征

李蕓玲 張來(lái)蘋(píng) 何靜

(1.河南科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003;2.新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003)

銅氧化物/氧化鋅復(fù)合材料的制備及性能表征

李蕓玲1張來(lái)蘋(píng)2何靜1

(1.河南科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003;2.新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003)

以Zn(CH3COO)2為鋅源、CuSO4·5H2O為銅源,采用低溫液相沉淀法,一步合成了銅氧化物/氧化鋅復(fù)合材料。利用X-射線衍射(XRD)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和成分表征;利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)及WS-30A氣敏測(cè)試系統(tǒng)對(duì)樣品的光催化性能及氣敏性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:不同銅氧化物與ZnO形成的復(fù)合材料具有不同的光催化及氣敏性能。

銅氧化物/氧化鋅 復(fù)合材料 光催化 氣敏

1 概述

ZnO作為一種性能優(yōu)良的n-型半導(dǎo)體材料，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，尤其是在高活性光催化劑及氣敏材料方面[1-2]。為了進(jìn)一步改善ZnO的性能，目前的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術(shù)來(lái)得到粒徑小的產(chǎn)物；另一方面采用如表面貴金屬沉積[3]、金屬離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合等方法改變其能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善其性能。在本部分工作中，采用低溫液相沉淀法，采用p-型半導(dǎo)體(Cu2O、CuO)與ZnO進(jìn)行復(fù)合，利用它們形成的異質(zhì)結(jié)來(lái)調(diào)整材料的光催化及氣敏性能。

圖1 Cu2O加入量為10%時(shí)所得Cu2O/ZnO復(fù)合材料的XRD圖

圖2 Cu2O加入量為10%時(shí)所得Cu2O/ZnO復(fù)合材料的光催化圖

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：Zn(CH3COO)2、CuSO4·5H2O、Na2CO3、NaOH、水合肼、羅比明B、二甲苯、甲苯、甲醇等均為分析純?cè)噭瑢?shí)驗(yàn)中用的水均為蒸餾水。

測(cè)試儀器：D8 Advance X射線多晶衍射儀；722N紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)；WS-30A氣敏測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 銅氧化物/氧化鋅復(fù)合材料的制備

2.2.1 Cu2O/ZnO復(fù)合材料的制備

在80℃水浴條件下，將一定量的油酸鈉溶解于CuSO4和Zn(CH3COO)2的混合溶液中，然后加入NaOH溶液，大約10min系統(tǒng)穩(wěn)定后，傾入水合肼水溶液，之后再加入Na2CO3水溶液，30min后生成白色沉淀，再加入NaOH溶液，再反應(yīng)1．5h。

圖3 Cu2O加入量為10%時(shí)所得Cu2O/ZnO復(fù)合材料對(duì)甲苯、水、二甲苯氣體的氣敏性質(zhì)測(cè)試圖

圖4 CuO加入量為10%時(shí)所得CuO/ZnO復(fù)合材料的光催化及氣敏圖

2.2.2 CuO/ZnO復(fù)合材料的制備

在80℃水浴條件下，將一定量的油酸鈉溶解于CuSO4和Zn(CH3COO)2的混合溶液中，溫度達(dá)到80℃時(shí)，加入Na2CO3溶液，2h后再加入NaOH溶液，繼續(xù)反應(yīng)1．5h。

反應(yīng)結(jié)束后將樣品抽濾洗滌，于60oC烘箱中干燥后研磨備用。

2.3 光催化及氣敏性能的表征

2.3.1 樣品的光催化性能表征

所制備樣品的光催化性能以降解羅丹明B溶液來(lái)評(píng)價(jià)。在燒杯中加入100mL濃度為10mg·L-1的羅丹明B溶液和0．5g的銅氧化物/氧化鋅納米粉體，在降解過(guò)程中用磁力攪拌使之混合均勻。在紫外燈照射下，每隔20min取少量混合液，離心除去其中的催化劑后，用722N紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在羅丹明B最大吸收波長(zhǎng)(λmax=554nm)處測(cè)試樣品的吸光度At，光照分解前羅丹明B的吸光度為A0，其降解率為：

2.3.2 樣品的氣敏性能表征

將制備出的粉體制作成燒結(jié)型旁熱式氣敏元件，采用WS-30A氣敏測(cè)試系統(tǒng)并采用靜態(tài)配氣法對(duì)該元件的氣敏性能進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 Cu2O/ZnO復(fù)合材料的表征

3.1.1 Cu2O/ZnO復(fù)合材料的XRD表征

圖1為Cu2O加入量為10%時(shí)所制備的Cu2O/ZnO復(fù)合材料的XRD圖。從圖可以看出，樣品的衍射峰峰位與ZnO的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片(JCPDS 36-1451)相一致，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中所得樣品為六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO。其次，Cu2O的(200)，(220)對(duì)應(yīng)的峰值也很明顯，而且該復(fù)合材料中氧化鋅的第三個(gè)峰值比純氧化鋅的峰值要高一些，可能是Cu2O(111)的衍射峰與之重疊的結(jié)果。并且譜圖中沒(méi)有其他衍射峰出現(xiàn)，因此，該條件下合成的Cu2O/ZnO納米復(fù)合氧化物純度比較高。

3.1.2 Cu2O/ZnO樣品的光催化性能表征

圖2為已制備出的Cu2O/ZnO樣品為催化劑時(shí)光催化降解羅丹明B的變化曲線。從圖2可以看出，在最初的20min羅丹明B溶液的吸光度有光催化前的1．026降低到0．356，光催化反應(yīng)20min其光催化的降解率可達(dá)到65．3%，可見(jiàn)前20min該產(chǎn)物對(duì)羅丹明B的降解效果很好。隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)，羅丹明B的降解率雖然一直在增大，但是增大的幅度較??；經(jīng)過(guò)2h的光照后，制備樣品對(duì)羅丹明B的降解率為66．4%。所以，制備的Cu2O/ZnO樣品對(duì)羅丹明B溶液有較好的降解能力。

3.1.3 Cu2O/ZnO樣品的氣敏性能表征

將已制備的Cu2O/ZnO粉體制成氣敏元件，測(cè)試其對(duì)苯、甲苯、二甲苯、水、氨水、甲醛、醋酸、甲醇等氣體的靈敏度，測(cè)試結(jié)果顯示樣品只對(duì)甲苯、二甲苯、水這三種物質(zhì)比較敏感。圖3為該氣敏元件的靈敏度-加熱電壓曲線圖，從中可以看出該氣敏元件對(duì)甲苯、二甲苯、水的靈敏度都與加熱電壓成正相關(guān)的關(guān)系，其中加熱電壓的變化對(duì)甲苯靈敏度的影響不大；并且該氣敏元件對(duì)水、二甲苯、甲苯這三種物質(zhì)的靈敏度依次減小。

3.2 CuO/ZnO材料的光催化及氣敏性能

為了進(jìn)一步考察銅氧化物的加入對(duì)ZnO光催化性能及氣敏性能的影響，我們制備了CuO加入量為10%的CuO/ZnO復(fù)合材料，并對(duì)其光催化及氣敏性能進(jìn)行了測(cè)試表征。圖4為該條件下制備的CuO/ZnO復(fù)合材料的性能表征曲線，其中圖4a為其光催化性能圖，圖4b為其氣敏性能測(cè)試圖。從圖4a可以看出，加入CuO所得樣品對(duì)羅丹明B的降解率隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)也逐漸增大，但其降解率比添加Cu2O的樣品要稍低一些。因此，添加Cu2O時(shí)所得產(chǎn)物的光催化性能更好一些。圖4b為制備的CuO/ZnO樣品的靈敏度-加熱電壓曲線，測(cè)試了其對(duì)多種氣體的靈敏度，結(jié)果顯示該樣品只對(duì)甲醇這一種物質(zhì)比較敏感；并且樣品對(duì)甲醇的靈敏度與加熱電壓成正相關(guān)的關(guān)系?？梢?jiàn)，加入不同的銅氧化物制備出的樣品具有不同的光催化及氣敏性能。

4 結(jié)語(yǔ)

以Zn(CH3COO)2和CuSO4·5H2O為原料，在80℃水浴中通過(guò)簡(jiǎn)單的液相沉淀法一步合成了銅氧化物/氧化鋅復(fù)合材料，并考察了銅氧化物/氧化鋅復(fù)合材料的光催化性能及氣敏性能。結(jié)果表明，Cu2O/ZnO復(fù)合材料的光催化性能稍好一些，并對(duì)水、甲苯、二甲苯表現(xiàn)出一定的靈敏性；而CuO/ZnO復(fù)合材料僅對(duì)甲醇表現(xiàn)出靈敏性，對(duì)檢測(cè)氣體的選擇性更好。

[1]吳曉,郭希,孫媛,程鳳伶. ZnO空心納米球的水熱合成及其光催化性能表征[J].材料導(dǎo)報(bào)B:研究篇,2013,27(3):1-4.

[2]吳燕軍,李容,曾春梅,何平,茍興龍.ZnO納米線的微乳-水熱法制備與氣敏性能[J].應(yīng)用化工,2013,42(2):221-224.

[3]張振飛,劉海瑞,張華,劉旭光,賈虎生,許并社.ZnO/Ag微米球的合成與光催化性能[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2013,34(12):2827-2833.

李蕓玲(1982-),女,漢,河南商丘人,博士研究生,講師,主要從事功能無(wú)機(jī)納米材料的合成及應(yīng)用研究。