氧化鋅基光催化劑的制備方法研究進(jìn)展

楊文龍

(銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

1 引言

ZnO光催化反應(yīng)制備過(guò)程在一般條件下就可以進(jìn)行的，而且，催化劑對(duì)于催化設(shè)備沒(méi)有什么太高的要求，而催化劑本身的話也是無(wú)污染并且可以重復(fù)使用的。因其與TiO2具有相近的光催化性能能，使得ZnO成為了研究?jī)H次于TiO2的一種新型的光催化劑，并且，在一些研究中還發(fā)現(xiàn)，ZnO在處理污染水之源中的某些難降解的有機(jī)物時(shí)，取得的效果比TiO2還要好。

本文通過(guò)對(duì)氧化鋅的形貌控制，探究不同因素對(duì)氧化鋅的形貌的影響，并對(duì)其做出綜述，然后從摻雜一些金屬、非金屬來(lái)討論對(duì)于氧化鋅的改進(jìn)，對(duì)比于氧化鋅，摻雜后的新材料又具有哪些優(yōu)勢(shì)，最后是氧化鋅光催化劑制備方法進(jìn)行的綜述，并對(duì)氧化鋅在未來(lái)的光催化劑領(lǐng)域進(jìn)行展望。

2 ZnO的形貌控制

2.1 不同因素對(duì)ZnO形貌的影響

通過(guò)控制并且改變ZnO的形貌來(lái)改變其催化活性，原料的濃度、表面添加劑的活性、反應(yīng)的時(shí)間和溫度等都是能夠?qū)nO的形貌產(chǎn)生影響。本章就各個(gè)因素對(duì)ZnO的形成過(guò)程及對(duì)其形貌的影響進(jìn)行了系列的研究總結(jié)。

2.1.1 原料的濃度對(duì)于ZnO的形貌的影響

單一原料醋酸鋅或尿素的濃度都對(duì)ZnO的形貌有著一定程度的影響，這是由于原料溶液濃度不同，過(guò)飽和程度不同導(dǎo)致。

2.1.2 表面添加劑的活性對(duì)ZnO的形貌影響

檸檬酸鈉一種有機(jī)酸鈉鹽，它能夠吸附在金屬和礦物表面，影響其金屬和礦物的生長(zhǎng)，所以可以用作為改變ZnO形貌的一種添加劑[3]。因此，一般實(shí)驗(yàn)中選擇檸檬酸鈉作為表面活性劑來(lái)控制ZnO形貌。

2.1.3 水熱反應(yīng)的時(shí)間和溫度對(duì)ZnO的形貌影響

D.Polsongkram、王靜[2]等人探討水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)晶型形貌的影響。得到的結(jié)果是：水熱時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，使得ZnO的形貌也隨之發(fā)生了一系列的改變；水熱時(shí)間為13.5h 時(shí)，出現(xiàn)大量的片層組裝殼；水熱時(shí)間延長(zhǎng)到 16h 時(shí)，出現(xiàn)大量的碎片。所以，從反應(yīng)的時(shí)間對(duì)ZnO的形貌影響我們可以知道，水熱時(shí)間會(huì)影響前驅(qū)體形貌的形成，主要因?yàn)槿芤涸诜磻?yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，各部位的濃度有所差異。

而在反應(yīng)溫度對(duì)ZnO的形貌影響實(shí)驗(yàn)中，我發(fā)現(xiàn)，其他條件都相同，只改變水熱反應(yīng)溫度，對(duì)ZnO前驅(qū)體形貌影響不大，只是形貌均一程度不同。

3 離子的摻雜對(duì)于ZnO的改進(jìn)

3.1 Ag摻雜氧化鋅

在韓帥[3]的研究中，有Ag摻雜氧化鋅的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果讓我知道，Ag的摻雜能夠影響ZnO的光催化活性，但卻不能說(shuō)是，摻雜的量越大，所得到的效果就會(huì)越好，恰恰相反，過(guò)量的摻雜Ag卻會(huì)對(duì)ZnO光催化劑的催化活性不利，因?yàn)槠銩g對(duì)ZnO的催化活性影響規(guī)律是呈波浪曲線的。

Ag的摻雜雖然可以提高光生電子和光生空穴的分離效率[4]，在實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，摻雜的過(guò)程卻并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單，要考察不僅有光生電子，還要考察光生空穴的分離效率，甚至只要能夠影響氧化鋅光催化劑的光催化活性的其它因素都不能不考慮。在銀摻雜的氧化鋅體系中，若銀摻雜過(guò)多，會(huì)占據(jù)氧化鋅的表面，由于銀會(huì)阻塞氧化鋅的孔道，降低氧化鋅的比表面積等原因，嚴(yán)重銀摻雜的利用率

3.2 Ce摻雜氧化鋅

鈰摻雜到氧化鋅能使氧化鋅的光催化性能得到提高[5]，與單一的氧化鋅對(duì)比，鈰摻雜后的催化劑具有較高光催化性能。摻雜后的ZnO催化劑吸附活性較高，降解率更大。

4 氧化鋅的復(fù)合材料光催化劑

4.1 摻雜型

摻雜型光催化劑的制備是近年來(lái)各位優(yōu)秀學(xué)者在該領(lǐng)域研究的新方向，通過(guò)摻雜一些金屬元素、非金屬元素，就可以很好地改變并且可以說(shuō)是加強(qiáng)光催化劑的催化性能。摻雜型光催化劑的制備方法也是多種多樣。比如摻雜一些金屬離子：Ag、Ce、Cu、Fe等，可以提高催化劑的吸附活性，增大降解率，從而提高催化劑的催化活性；也可以摻雜非金屬，比如Si、C、Ca等，摻雜后的催化劑材料相比于ZnO來(lái)說(shuō)，其催化劑在原來(lái)的基礎(chǔ)上會(huì)顯得更加具有更高更強(qiáng)的催化活性，在應(yīng)用上面也更寬更廣[6]。

4.2 負(fù)載型

負(fù)載型光催化劑在進(jìn)來(lái)也是研究新走向。其特點(diǎn)是通過(guò)選用某些比表面積相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大一點(diǎn)的物質(zhì)，就用這種物質(zhì)來(lái)作為光催化劑在生成時(shí)的一個(gè)載體，然后使用適當(dāng)?shù)霓k法使得均勻的負(fù)載到載體上。在實(shí)驗(yàn)中，通常我們用得比較多的制備方法就是溶膠-凝膠法。而近年來(lái)，用來(lái)作為載體的物質(zhì)也有很多，比如上述試驗(yàn)中的檸檬酸鈉，還有活性炭、沸石等等，這些都是一些比較用的多的載體[7]。

5 ZnO光催化劑的展望

氧化鋅作為光催化材料，因?yàn)槠洳诲e(cuò)的催化性能在各大領(lǐng)域中都顯現(xiàn)出很廣闊的應(yīng)用前景。目前，ZnO光催化劑的制備以及對(duì)其光催化性能的改善都取得了很不錯(cuò)的成果，在催化劑的制備方法上是層出不窮[8]?？墒窍胍a(chǎn)出具有高活性的ZnO光催化材料這一目的還有待突破。所以ZnO光催化材料還存在很多的難題亟待解決，而現(xiàn)在所面臨的一些困難是：需要進(jìn)一步完善工業(yè)化制備方法，降低制備的成本；進(jìn)一步提高ZnO的光催化活性；生產(chǎn)出高效的ZnO光催化裝置；在可見(jiàn)光催化機(jī)理上取得突破。

6 結(jié)論

通過(guò)改變?nèi)芤涸现械臐舛取⒈砻嫣砑觿┑幕钚?、水熱反?yīng)的時(shí)間和溫度，可以對(duì)ZnO的形貌進(jìn)行控制和調(diào)控。在溶液原料的濃度中，通過(guò)控制溶液原料的濃度，可以對(duì)氧化鋅的形貌產(chǎn)生影響，由于在不同的反應(yīng)液濃度中，溶液的過(guò)飽和程度有所不同，從而導(dǎo)致ZnO的形貌也會(huì)發(fā)生改變；調(diào)節(jié)表面添加劑的活性，其物質(zhì)本身和氧化鋅的之間的相互作用是不同的，表面添加劑在載體物質(zhì)表面的分布是各有不同的，從而影響和改變氧化鋅的形貌；水熱時(shí)間會(huì)影響ZnO形貌的形成，隨著反應(yīng)的水熱時(shí)間的慢慢的加長(zhǎng)，ZnO形貌也會(huì)發(fā)生比較明顯的變化，而試驗(yàn)中反應(yīng)的溫度對(duì)于ZnO形貌卻是影響不大，只是形貌均一程度不同。

在離子摻雜氧化鋅的研究中，對(duì)于Ag摻雜氧化鋅，是可以影響氧化鋅的光催化活性的；Ce摻雜到氧化鋅能使氧化鋅的光催化性能得到提高，與單一的氧化鋅對(duì)比，鈰摻雜后的催化劑具有較高光催化性能。摻雜后的ZnO催化劑吸附活性較高，降解率更大。

在氧化鋅復(fù)合材料的催化劑這一塊，卻面臨這難題，其中具有代表性的，一是催化劑的活性需進(jìn)一步的提高；二是懸浮體系難以分散和回收利用；三是要提高催化劑對(duì)可見(jiàn)光的利用率；四是氧化鋅的光腐蝕現(xiàn)象。