超聲法制備納米氧化鋅顆粒及其表征

超聲法制備納米氧化鋅顆粒及其表征

0zno納米晶體的制備及其光催化性能表征光洗劑的使用是一種新型的水處理技術(shù)。該方法成本低，工作簡單，具有比紫外更強的殺菌能力，為解決環(huán)境污染問題提供了一種有效的方法。與納米ti88一樣，納米zno作為一種多功能性的新型有機材料，由于其顆粒微觀化的特點，產(chǎn)生了許多特殊性質(zhì)，如表面效應(yīng)和體積效應(yīng)。特別是近年來，它在促進(jìn)、光學(xué)和磁學(xué)方面發(fā)揮了許多特殊作用。由于反應(yīng)條件溫和，無二次污染可用于高效降水廢水中的有機污染物，有效緩解污染。本研究在參照已有研究的基礎(chǔ)上采用水熱法及超聲分解法制備了納米花狀ZnO晶體及棒狀ZnO晶體,并進(jìn)一步合成相應(yīng)的花狀及棒狀ZnO2晶體,并對其光催化性能進(jìn)行表征,為進(jìn)一步研究晶體的形貌、粒徑分布和團(tuán)聚狀況等各種因素對催化劑光催化性能的影響奠定基礎(chǔ).1材料和方法1.1實驗儀器與材料二水醋酸鋅(AR)、氫氧化鈉(AR)、雙氧水(AR)、丙酮(AR)、去離子水、羅丹明B(AR).(2)實驗儀器恒溫加熱磁力攪拌器、超聲波清洗器磁力、加熱攪拌器、聚四氟乙烯反應(yīng)釜、電熱鼓風(fēng)干燥箱、紫外燈、高速臺式離心機、紫外可見分光光度計、電子天平、量筒1.2催化劑的制備1.2.1試樣的制備分別配制0.0625mol/L的Zn(CH3COO)2溶液及1mol/L的NaOH溶液各100mL.將兩種溶液混合入燒杯,用超聲機超聲溶解,恒溫70℃,保持1h.反應(yīng)結(jié)束后,自然冷卻至室溫.用去離子水及丙酮試劑洗滌數(shù)次減壓抽濾.將產(chǎn)品在60℃下空氣干燥5h.收集產(chǎn)品,編號試樣Ⅰ.1.2.2實驗結(jié)果與討論見表1同樣方法配制以上兩種溶液各100mL.將兩者充分混合后入燒杯,用恒溫加熱磁力攪拌器加熱,恒溫70℃,保持1h.反應(yīng)結(jié)束,自然冷卻至室溫.后用去離子水及丙酮試劑洗滌數(shù)次減壓抽濾.然后將產(chǎn)品在60℃下空氣干燥5h.收集產(chǎn)品,標(biāo)號試樣Ⅱ.實驗發(fā)現(xiàn)按傳統(tǒng)方法在Zn(CH3COO)2溶液與NaOH溶液摩爾濃度比為1∶16情況下的產(chǎn)物產(chǎn)率較低,故改變配比重復(fù)實驗,發(fā)現(xiàn)當(dāng)二者摩爾濃度比1∶8,產(chǎn)物產(chǎn)率明顯提高,表明堿性環(huán)境不利于氧化鋅晶體的生成.1.2.3產(chǎn)品的制備、干燥和干燥稱取已制備的花狀及粒狀ZnO晶體各0.4g,標(biāo)注為1、2兩份樣品,各加入5mL去離子水,25mL30%H2O2溶液,磁力加熱攪拌器攪拌2h,轉(zhuǎn)入相應(yīng)編號的不銹鋼反應(yīng)釜(30mL)中.密封,在鼓風(fēng)干燥箱中加熱到150℃,恒溫保持20h,反應(yīng)完畢后自然冷卻至室溫,然后用無水乙醇及丙酮試劑洗滌數(shù)次進(jìn)行減壓抽濾,并將產(chǎn)品在60℃下空氣干燥5h.收集產(chǎn)品,編號3、4.1.2.4反應(yīng)與冷卻分別稱取上述已制備的納米ZnO2初產(chǎn)品(花狀,粒狀)各0.1551g放入坩堝中,并將坩堝置于空氣干燥箱中,設(shè)定溫度180℃,恒溫加熱10h.反應(yīng)完畢后,冷卻至室溫.收集產(chǎn)品,編號5、6.1.3visfrs判斷邊通過紫外-可見漫反射吸收光譜測定(UV-VisDRS)判斷吸收邊(如圖1、圖2、圖3所示),利用X射線粉末衍射(XRD)儀分析物相,如圖4、圖5、圖6所示.1.4光催化降解反應(yīng)催化劑催化活性實驗在催化裝置中進(jìn)行,以羅丹明B為目標(biāo)分解物.過程與方法如下:將0.08g花狀納米ZnO顆粒產(chǎn)物和150mL桃紅色羅丹明B溶液混合放入200mL石英反應(yīng)試管中,避光條件下攪拌60min排除催化劑吸附作用的干擾.然后放入光催化反應(yīng)裝置中,磁力攪拌下,打開紫外燈,在254nm紫外光下進(jìn)行光催化降解反應(yīng)實驗120min,每20min取一次樣,根據(jù)取樣時間依次編號.將粒狀納米ZnO顆粒,花狀及粒狀納米ZnO2顆粒及180℃高溫處理后的花狀及粒狀納米ZnO2顆粒進(jìn)行同樣操作.取樣結(jié)束后,將降解液轉(zhuǎn)入潔凈離心管中,放入離心機以10000r/min離心分離,取上層清液用723紫外可見光譜分光光度計進(jìn)行光譜分析,測得染料溶液降解率隨時間變化圖,如圖7、圖8、圖9所示.2結(jié)果與分析2.1水熱法制備晶粒zno和zno2納米晶的吸收邊圖2、圖3、圖4是制備的不同形貌的ZnO及ZnO2納米晶及經(jīng)過180℃處理的產(chǎn)物的漫反射光譜,從圖可以看出,樣品具有明顯的吸收帶邊,其吸收帶邊位置如表1所示.由圖1、圖2、圖3及表1可以看出在紫外波段,水熱法制備粒狀ZnO納米晶及ZnO2納米晶的吸收邊發(fā)生了紅移,說明與粒狀ZnO納米晶及ZnO2納米晶相比,花狀ZnO納米晶與花狀ZnO2納米晶在紫外波段對光的吸收更好.2.2超聲輔助合成zno2由圖4可以看出,兩種方法合成的ZnO晶型不同,這是由于長時間在70℃水浴中反應(yīng)導(dǎo)致粒子間的團(tuán)聚.而超聲輔助處理,可以利用其超攪拌混合作用使體系均勻化,從而得到分散性更好的納米氧化鋅.由圖5可以看出,兩種方法合成出的ZnO2均為空心球型,經(jīng)過180℃處理之后,晶型未發(fā)生變化.圖譜中無雜峰存在,說明產(chǎn)物純度較高.2.3光照前光催化活性能測試在低濃度范圍內(nèi),吸光度A與染料溶液濃度之間為線性關(guān)系,用吸光度變化率來代替染料溶液濃度的變化率來計算光催化劑的催化降解效率.以C/C0為縱坐標(biāo)(C0是光照前的濃度,C是某時刻染料的濃度),紫外光照時間t為橫坐標(biāo)作圖,反映降解率隨時間的變化趨勢.實驗結(jié)果表明,在加入已制備的催化劑紫外光照射下,隨著光照時間的增加,染料降解效果明顯.同種形貌的花狀ZnO比ZnO2光催化效率更高,效果更好.不同形貌的同種催化劑,經(jīng)過超聲處理的花狀納米ZnO顆粒比水熱處理的粒狀納米ZnO顆粒光催化活性高.同樣,其進(jìn)一步的反應(yīng)產(chǎn)物花狀納米ZnO2顆粒比粒狀納米ZnO2顆粒光催化活性高,且都優(yōu)于經(jīng)過高溫處理后的最終產(chǎn)物.3納米zno及zno2的晶相結(jié)構(gòu)及光催化作用(1)本實驗采用了簡便的實驗法(超聲法,水熱法)成功地制備了不同形貌的納米ZnO晶體并進(jìn)一步合成納米ZnO2晶體,并發(fā)現(xiàn)堿性環(huán)境更適合氧化鋅晶體的生成.(2)兩種不同方法制得的不同形貌的產(chǎn)物,經(jīng)過XRD、DRS等多種技術(shù)對其晶相結(jié)構(gòu)、晶粒大小、光吸收性能等進(jìn)行了表征分析發(fā)等發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物納米ZnO及ZnO2,且產(chǎn)物為多晶結(jié)構(gòu),具有純度高、吸光系數(shù)大和穩(wěn)定性好的特點.(3)通過光催化劑降解活性分析發(fā)現(xiàn),不同形貌的ZnO納米晶體及進(jìn)一步合成的納米ZnO2晶體都具有光催化活性,且在紫外光下對有機染料的