用于环境光催化的固载型ZnO纳米结构的研究进展

光催化技术是解决当今环境污染问题的最有效途径之一。氧化锌(ZnO)作为一种重要的n型宽禁带半导体,不仅具有优异的光电性质,而且包含丰富的纳米结构,在光催化领域受到广泛关注。通常用作光催化剂的ZnO纳米材料是以粉体形式呈现,使用后需经过离心和过滤等回收工序,还容易造成二次污染。将ZnO纳米结构固定在可以移动的基底上,形成固载型的光催化剂,可以避免上述麻烦。从基本"结构单元"的维度的角度出发,综述了用于环境光催化的固载型ZnO纳米结构,包括零维、一维、二维和三维结构。零维结构主要是固定后的纳米颗粒,一维和二维结构分别以纳米棒和纳米片阵列为主,三维结构由低维度形态组合而成,大多形成复杂的分级结构。最后对固载型ZnO纳米结构在环境光催化的实际应用中所面临问题和挑战进行了展望。     

Ce掺杂ZnO分级结构微球的制备及其光催化性能研究

以硝酸锌、氢氧化钠、硝酸铈为原料,采用沉淀法制备了一系列Ce掺杂的Ce/ZnO分级结构微球。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、能量色散谱仪和紫外-可见漫反射光谱仪等对样品进行表征。以甲基橙的光催化降解为模拟反应,考察了Ce掺杂量对Ce/ZnO分级结构微球光催化性能的影响。结果表明:Ce/ZnO分级结构微球由ZnO微纳米片相互交错构建而成,Ce的掺杂提高了Ce/ZnO分级结构微球的光催化活性,其中Ce摩尔分数为1.5%的Ce/ZnO对甲基橙的光催化降解效果最好,紫外光照射60min甲基橙降解率为98.3%,循环使用4次,其催化活性未明显下降。     

ZnO:Cd纳米棒的制备及其光催化降解性能研究

采用水热法制备了ZnO和不同Cd掺杂浓度的ZnO:Cd纳米棒。通过x射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见-近红外分光光度计和拉曼光谱对ZnO:Cd纳米棒的结构和光学特性进行了系统研究。结果显示,样品为一维纳米棒结构,Cd的掺杂可以减小ZnO纳米棒的晶粒尺寸和光学带隙。利用分光光度计检测ZnO:Cd纳米棒对偶氮结构染料(甲基橙溶液)的光催化降解效率,结果表明Cd掺杂可以改善ZnO的光催化性能,掺杂浓度为16%时ZnO:Cd纳米棒对甲基橙溶液的光催化降解效率最高。     

可见光响应型ZnO基纳米复合光催化材料的研究进展

本文综述了ZnO基纳米复合光催化材料的基本结构与性能、光催化效果及其作用机理;系统概述了可见光响应型ZnO基纳米复合光催化材料在有机物污染物降解、光催化制氢和抗菌等方面的应用,并对其进一步研究提出了思路和建议。相信随着基础研究与应用实践的不断深入,ZnO基纳米复合光催化材料最终会在高效催化剂、环境净化、太阳能转换等方面得到长久发展与广泛应用。     

化学溶液法外延组装ZnO分级纳米结构

采用气相法、液相法相结合的方法外延组装了一种形貌新颖的复杂ZnO分级纳米结构--"纳米毛刷".首先用热蒸发的方法制备了宽面为极性面的ZnO纳米带,然后采用化学溶液法,在强碱溶液中在ZnO纳米带的极性面上外延生长Zno纳米棒阵列,实现了ZnO分级纳米结构"由下而上"地外延组装.采用负离子配位多面体生长基元模型讨论了ZnO分级纳米结构的外延组装机理.这种ZnO分级结构的实现,可望作为ZnO纳米器件的原型材料构建新型光电器件.     

纳米Zn/ZnO复合结构的光催化活性

采用干法室温振动研磨的方法制备纳米Zn粉,纳米Zn水解制备纳米Zn/ZnO复合结构。光催化实验证明在太阳光和紫外光照射时,纳米Zn/ZnO复合结构具有优良的光催化性能。TEM检测表明,经11h研磨的Zn粉粒度分布在10～20nm之间,纳米Zn水解反应生成的固相产品,纳米ZnO与未完全反应的纳米Zn构成棒状与片状共存的独特结构,XRD分析表明产物中仅含有Zn和ZnO两种物质;UV-Vis谱显示纳米Zn/ZnO复合体在可见光区的吸收强度明显高于纳米ZnO颗粒,颗粒尺寸减小引起激子吸收峰蓝移,与体相材料相比纳米颗粒有更高的光催化氧化-还原能力。     

纳米氧化锌光催化剂的制备及性能研究

以乙酸锌和氨水为反应物,采用简单水热法合成了纳米氧化锌(ZnO)光催化剂,通过FT-IR、XRD、UV-Vis、SEM等测试技术对样品进行表征。以甲基橙溶液为目标降解物,在500W汞灯照射下对甲基橙溶液进行光催化降解实验。结果表明,通过该方法合成的纳米ZnO为六方晶系结构,结构清晰,尺寸均匀,对甲基橙溶液具有良好的光催化性能。同时,对纳米ZnO光催化材料未来的发展趋势进行了展望。     

Cu/ZnO复合材料的制备及光催化性能研究

采用化学沉积法,在纳米ZnO种子的表面沉积金属Cu纳米颗粒合成复合材料。利用XRD、FESEM、TEM和TGA对样品成分、形貌和结构进行了表征分析,并测试了样品的光催化性能。结果表明,Cu纳米颗粒成功负载于ZnO纳米粒子表面。对于Cu与ZnO合成的复合催化剂,金属Cu的含量有一个最佳的范围,此时催化剂的光催化性能优于纯ZnO。当Cu2+的加入量为38.6%(质量分数)时,复合颗粒的光催化性能在紫外光和可见光光源下均达到最优。     

含共轭结构的ZnO/聚乙烯醇复合光催化材料的制备与性能

以ZnO和NaOH为原料,采用低温水热法合成纳米ZnO 半导体材料,并与聚乙烯醇（PVA）水溶液在超声作用下混合,通过直接煅烧制备出PVA中含共轭双键碳链结构（C）的ZnO/PVA_C复合光催化材料。采用 SEM、XRD、FTIR、Raman和UV-Vis DRS对样品进行表征。结果表明:ZnO/PVA_C复合光催化材料由结晶性能良好的纳米ZnO和具有共轭结构的聚合物组成,且界面间通过化学键Zn-O-C相连接;在模拟太阳光照射下,ZnO/PVA_C复合光催化材料对光的吸收响应可扩展到整个可见光区,并产生较高光电流。光催化性能测试结果表明,ZnO/PVA_C复合光催化材料对罗丹明B的降解催化性能（30 min降解率接近于100%）明显高于纯纳米ZnO。      

CuO/ZnO复合纳米树阵列的制备及光学特性

通过热氧化法在铜基板上制备CuO纳米线,采用凝胶法制备ZnO/CuO复合纳米树阵列。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光致发射光谱对样品结构、形貌、光学特性进行表征。结果表明,CuO/ZnO纳米树形貌规整完美,在CuO纳米线上二次生长的ZnO纳米棒具有各向晶体生长性质,CuO/ZnO复合纳米树在可见光区域出现了优越的发光性能;以甲基橙为模拟污染物,通过光催化测试表明,CuO/ZnO复合纳米树还具有卓越的光催化性能。     

溶胶-凝胶法制备一维ZnO纳米棒及其光学性能研究

以乙酸锌、草酸为主要原料,采用溶胶-凝胶法,通过在反应体系中添加不同类型的添加剂聚乙二醇-2000(PEG-2000)及三乙醇胺合成了一维ZnO纳米棒,考察了添加剂种类和数量对纳米ZnO形貌的影响。利用X-射线衍射仪和透射电子显微镜对纳米ZnO的形貌及晶体结构进行了表征,利用荧光分光光度计以及紫外分光光度计对纳米ZnO粒子的光致发光性能及光催化性能进行了表征。结果表明:在溶胶-凝胶法制备纳米ZnO的反应体系中,添加剂的种类和用量对纳米ZnO的形貌和晶粒尺寸有一定的影响。ZnO纳米棒的荧光强度受制备过程中添加剂的种类和用量影响;在纳米ZnO制备过程中增大三乙醇胺的添加比例,所得一维结构纳米ZnO的光催化性能显著提高。     

溶液法制备ZnO纳米阵列的影响因素及光催化活性

利用无水醋酸锌原位水解生成的纳米ZnO作晶种,通过溶液法制备ZnO纳米阵列,研究反应过程中各因素对ZnO纳米阵列形貌的影响,并对制得的ZnO纳米阵列的光催化活性进行研究。结果表明:采用浸涂方式制备晶种,生长得到的ZnO纳米阵列在衬底表面均匀密集分布;采用喷涂方式制备晶种,生长得到的ZnO纳米阵列存在着较大的空白区域。在晶种前驱体溶液中添加二乙醇胺或甲酰胺,会引起纳米ZnO成核的聚集,不利于制得分布均匀的ZnO纳米阵列。反应溶液pH=6.7时,可得到均匀、密集且取向性良好的ZnO纳米阵列结构。以不锈钢金属网为基底制备的ZnO纳米阵列应用于15mg/L甲基橙的光催化降解,3h即降解完全,且进行连续三次反应后仍表现出良好的光催化活性。     

分级微/纳结构ZnO的制备及其光催化性能

分别采用溶剂热法和草酸盐法制得具有分级微/纳结构但形貌迥异的两种ZnO材料,以亚甲基蓝溶液(MB)作为目标降解物对其光催化性能进行评价。结果表明:溶剂热法所制得的ZnO呈花状微球形貌,由纳米片自组装而成;草酸盐法所制得的ZnO为微米棒状形貌,以纳米颗粒为基本单元发展而来。草酸盐法ZnO材料具有更为优异的光催化性能,其对亚甲基蓝溶液的降解反应速率常数是溶剂热法ZnO材料的7.65倍。活性自由基物种鉴定结果证实,两种ZnO材料在受到紫外光激发时均能产生·OH和·O₂^-活性自由基。两种ZnO样品光催化性能的差别源于能带结构不同所引起的活性自由基生成数量上的差异。较之溶剂热法ZnO,草酸盐法ZnO在受紫外光激发时产生的·OH和·O₂^-数量更多,且以强氧化能力的·OH为主,因而表现出更为优异的光催化性能。     

不同温度下ZnO/ZnSe复合结构的制备及光催化性能

以氧化锌(ZnO)、硒粉(Se)以及硼氢化钠(NaBH4)为原料,采用浸渍覆膜法,在不同保温温度下(50,70和90℃),制备出具有核壳结构的ZnO/ZnSe纳米光催化材料。采用透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(RAMAN)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)、光催化性能测试等手段对其样品的结构、形貌以及光催化性能进行了表征。通过测试复合结构对一氧化氮(NO)的降解能力,评估其光催化效率。结果表明,样品的保温反应温度越高,附着在ZnO晶体表面的ZnSe颗粒越密集,纳米棒的核壳结构越明显,制备的ZnO/ZnSe样品在金卤素灯照射下降解氮氧化物的速率与降解效果也越明显。但考虑到制备过程的便捷、环保等因素,保温温度70℃为制备具有核壳结构的ZnO/ZnSe纳米光催化材料的最佳温度条件。     

Yb离子掺杂纳米ZnO的合成及其光催化性能研究

直接沉淀法制备纳米ZnO后利用浸渍法制备其Yb3＋掺杂产物,以XRD、FESEM、HRTEM、XPS、漫反射吸收光谱和分光光度法等研究了粉体的特征及光催化性能。结果表明500℃煅烧获得的纳米ZnO具有六方纤锌矿结构,粒径分布范围较窄;适量的Yb3＋掺杂能有效地提高纳米ZnO对罗丹明B的光催化降解效率。     

静电纺丝制备树皮状ZnO纳米纤维及其光催化降解性能研究

采用静电纺丝制备的一维氧化锌(ZnO)纳米纤维是一种常见的可用于光催化降解有机染料和重金属离子污染物的半导体光催化剂。然而已报道的纳米纤维表面较为光滑，光催化能力有待进一步提高。本研究以硝酸锌为锌源，乙醇和N,N-二甲基甲酰胺作为混合溶剂，利用静电纺丝和高温煅烧合成了表面和内部同时具有丰富孔洞的树皮状ZnO纳米纤维，并研究了其对亚甲基蓝和Cr(Ⅵ)的光催化降解性能。通过调节纺丝液中锌源的浓度，得到了不同结构的ZnO光催化剂。X射线衍射仪、扫描和透射电子显微镜测试结果表明，所制备的ZnO纳米纤维高度结晶，纤维表面均匀分布有片状结构。光催化测试表明，经过3h紫外光照射后，树皮状ZnO纳米纤维对亚甲基蓝和Cr(Ⅵ)的降解效率分别达93.6%和63.4%。     

基于温稳段微波能量调控对制备纳米ZnO形貌及性能的影响

针对微波常压水热法,通过增设热管快速冷却而提高温度稳定段微波能量制备纳米氧化锌,以探究温稳段微波辐射能量增加对合成ZnO的影响,并在此基础上添加不同表面活性剂(柠檬酸钠、草酸钠)制备ZnO探究其性能。利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),紫外-可见光漫反射和降解罗丹明B的光催化实验对样品结构和性能进行表征。结果表明,随着温稳段微波能量增加,ZnO明显偏向片状结构,其光学带隙最大可减少0.13 eV,表现出对高功率下微波能量变化的敏感,进一步添加表面活性剂形成三维ZnO结构,以草酸钠为表面活性剂的ZnO吸光峰红移明显。光催化实验表明,同功率下,提高微波辐射能量制备的ZnO在90 min后降解率可提高20%,表面活性剂草酸钠制备的ZnO120 min内降解率可达到99%以上,表现出优异的光催化性能。     

ZnO/TiO_2纳米管的制备及光降解性能研究

采用水热法合成TiO2纳米管,在碱性条件下与乙酸锌的无水乙醇溶液反应,得到表面负载ZnO的TiO2复合纳米管(ZnO/TNTs),并研究了复合纳米管在紫外光照射下对罗丹明B的光催化降解性能。通过透射电镜(TEM)、电子衍射能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、比表面积(BET)和紫外-可见光谱(UV-Vis)对所合成的材料进行了表征。结果表明,TiO2纳米管管径约5~10nm,管长约0.1~1μm;经ZnO表面修饰后,纳米管的结构没有发生明显变化,且ZnO粒子呈六方晶系纤锌矿结构均匀分散在纳米管的外表面,粒径约为6nm;光谱分析表明,ZnO/TNTs的吸收光谱有明显红移;且ZnO/TNTs的光催化活性较锐钛矿型TiO2纳米粉末、ZnO纳米粉末和TiO2纳米管有显著提高,且其光催化性能重复性好。     

异质结型NiO/ZnO复合纳米纤维的制备及光催化性能

采用静电纺丝技术, 以聚乙烯醇(PVA)和醋酸锌[Zn(CH₃COO)₂]为前驱体, 制备纯ZnO纳米纤维, 并以其为基质, 醋酸镍为镍源, 通过溶剂热法制备了NiO/ZnO复合纳米纤维. 利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和荧光光谱(PL)等分析测试手段对样品的结构和形貌进行表征。以罗丹明Ｂ的脱色降解为模式反应, 考察了样品的光催化性能。结果表明: NiO粒子均匀地负载到ZnO纳米纤维上, 得到了异质结型NiO/ZnO复合纳米纤维光催化材料, 与纯ZnO纳米纤维相比光催化活性明显提高, 且易于分离、回收和再利用。循环使用3次, RB的脱色率仍保持在89%以上。     

环境友好型塑料用改性ZnO添加剂的光催化性能研究

以纳米ZnO和AgNO3溶液为原料,采用掺杂的方法制备了改性的塑料用ZnO添加剂,通过其光催化降解亚甲基蓝的效果评价了样品的光催化性能。实验结果表明,当银的掺杂量为2.8%,光催化剂添加浓度是0.8g/L时,此时Ag/ZnO复合粉体对亚甲基蓝的光催化降解效果最好。制备的Ag/ZnO复合粉体在紫外光区和可见光区都有较强的吸收,且吸收峰波长和Ag与纳米ZnO相比都出现了一定程度的红移。掺杂银显著提高了纳米ZnO的光催化性能