環境化學實驗納米ZnO的制備及其光催化性能

　　摘 要： 本文設計了一個簡單易行的納米ZnO的合成及表征分析，運用XRD、紅外、DRS等表征了其結構特征。以亞甲基藍為模型化合物、高壓汞燈為光源，探索了其光催化性能。通過實驗可使學生初步了解納米材料的基本知識、常用的表征分析方法，以及環境污染物降解處理方法。實驗內容涵蓋材料化學、環境化學、無機材料合成、儀器分析、光催化性能測試等方面。實驗內容的設置有利于培養學生的探索能力和科研能力。
　　關鍵詞： 環境化學 納米ZnO 制備 光催化性能
　　
　　環境化學實驗是環境化學課程體系的重要部分，有利于培養學生動手能力和科研興趣，具有不可或缺的獨特作用。通過環境化學實驗教學，一方面可以加深理論認識，培養創造性思維和能力，提高學生的綜合素質，另一方面可指導學生將理論運用于實踐、指導實踐，有利于提高學生分析問題和解決問題的能力。環境化學實驗設計應反映新的科研成果，以提高學生的創新能力和科研能力。實驗內容涉及化學、材料等交叉學科：材料、化學、環境、能源等，有助于拓寬學生的知識面。
　　光催化基于半導體材料在光激發下能夠產生具有強還原性的光生電子和具有強氧化性的空穴的基本特性，固體光催化劑能吸收太陽光將水和生物質分解成氫氣，也能將空氣和水體環境中的有機污染物和無機污染物氧化或還原降解為無害物質，因此具有低能耗、綠色的特征，被認為是一種高級催化氧化還原技術［１］。目前，光催化技術已經在環境污染治理領域得到了重要應用，在氫能源開發方面也顯示出廣闊的發展前景。納米ZnO是一種可以降解多種有機污染物的納米級催化劑，特別是在水質處理、有機物分解、農藥降解等方面具有重要的應用［2］。特別在環境領域，由于納米ZnO具有無毒性、光催化活性高、無二次污染等特點，已經成為新興高效的環保材料。
　　本文以硝酸鋅、三氟乙酸鈉為反應物，在900℃溫度下制備了氧化鋅催化劑。利用現代測試方法如XRD、DRS、FT-IR等手段對催化劑的結構進行表征，并探討了納米粒子在紫外光照射下降解有機染料的活性，為有效源頭控制有機染料提供了合適的方法。
　　1.實驗部分
　　1.1試劑和儀器
　　利斯儀器有限公司）；Avatar360型FI-IR 光譜儀（美國Nicolet 公司）；紫外可見分光光度計（島津 UV-2450）；X射線粉末衍射儀（D/max2500PC）。
　　1.2光催化劑的表征分析
　　X—射線衍射分析在D/max2500PC型X射線衍射儀上進行，Cu靶線，射線管電壓40KV，電流40mA；樣品的紫外—可見上測定，采用KBr壓片。
　　1.3光催化降解實驗方法
　　以亞甲基藍（MB）為污染物研究合成材料的光催化活性，實驗過程如下：準確稱取0.05g的ZnO光催化劑，放入Pyrex反應瓶中，加入100 ml亞甲基藍溶液，移至光化學反應儀中，在暗反應條件下，磁力攪拌30分鐘，使固液界面達到吸附平衡（此時測得的吸光度值為起始值）。溫度控制在30℃，并設定空氣流量。隨后開啟光源（紫外光：2×125W汞燈），在一定時間間隔，取5 mL反應液離心數分鐘后，取其上清液，用紫外—可見分光光度計在波長664nm處測定MB溶液的吸光度。根據朗伯—比爾定律，溶液的吸光度與濃度成正比。因此可用吸光度代替濃度計2.結果與討論
　　經過XRD、IR、DRS表征發現，合成的為高結晶度的納米ZnO粉體。光催化活性考察表明合成的納米ZnO具有較高的光催化降解活性。
　　學生在本實驗過程中可以學習納米ZnO光催化劑的一種水熱處理和高溫煅燒合成方法，鞏固掌握固體稱量、液體量取、催化劑洗滌等基本操作，并學習紫外可見分光光度計、紅外光譜和DRS的使用和操作方法。學習標準曲線建立的方法。建議用于學生實驗的納米ZnO光催化劑合成最佳條件為:900℃溫度煅燒。當催化劑用量為0.5g·l-1，MB初始濃度為10mg·l-1時，對亞甲基藍染料降解的效果最佳，1h后MB降解率為91％。
　　光催化技術已經在環境難降解污染物、光解水、光催化殺菌、抗菌等環境保護、衛生保健、清潔能源領域得到了廣泛應用。ZnO半導體光催化劑是目前應用較為廣泛的環境和能源保護功能性材料之一。本實驗可以讓學生了解環境污染物控制的新方法，使學生在學習環境化學基礎知識的同時，提高環境保護意識，增強環保責任感。
　　
　　參考文獻：
　　［1］Malato S，Vidal J B A，Richter C.Photocatalysis with solar energy at a pilot-plant scale：an overview［J］.Appl.Catal.B：EnViron.，2002，37:1-15.
　　［2］Xu F，Zhang P，Navrotsky A，Yuan Z Y，Ren T Z，Halasa M，Su B L.Hierarchically assembled porous ZnO nanoparticles：Synthesis，surface energy，and photocatalytic activity［J］.Chem.Materi.，2007，19：5680-5686.
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