ZnO/CoO-CuO復合材料的制備及光催化性能

韓夢靈 郭艷華 劉延湘(江漢大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056)

ZnO/CoO-CuO復合材料的制備及光催化性能

韓夢靈 郭艷華 劉延湘(江漢大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056)

本實驗以硫酸鋅、氯化鈷、氯化銅、尿素等為原料，制備了ZnO/CuO-CoO三元復合材料，并用SEM、IR光譜對復合材料進行了表征，且對復合材料光催化性能進行了研究。結果表明：ZnO/CoO-CuO復合材料為納米級到微米級粒子；PVP改性的復合材料的光催化性能最好。

過渡元素形成的復合材料可以廣泛應用于橡膠添加劑、新能源材料及光催化材料，因此成為相關領域研究的熱門課題。光催化是環境解毒的有效方法，能夠將有毒和生物不可降解的有機化合物轉化為二氧化碳、水和無機鹽。因毒性低、化學和光學穩定性以及光催化效率高等優點，氧化鋅是太陽能轉換與染料和有機污染物處理中最有前景的光催化劑之一。為了更好增強ZnO的光催化性能，通常在ZnO中摻雜其它金屬元素，制備的方法多樣。本論文采用共沉淀法制備不同摻雜濃度，并用乙烯吡咯烷酮改性制備的ZnO∕CoO-CuO納米粉體，然后將優選產品進行表征，測定其光催化活性。此方法具有設備要求低、工藝相對簡單、成本較低、易批量生產、產品純度高等優點。

1 實驗材料

1.1 主要試劑

氯化鈷；氯化銅；硫酸鋅；無水乙醇；尿素；聚乙烯吡咯烷酮；甲基橙。

1.2 主要儀器

DF110型電子分析天平；智能控溫油水浴鍋；SHB-III循環水式多用真空泵；KQ-250型超聲波清洗器；202OAB型電熱恒溫干燥箱；掃描電子顯微鏡；光化學反應儀XPA系列。

2 實驗方法

2.1 ZnO/CoO-CuO復合材料的制備

采用均勻共沉淀法制備ZnO∕CoO-CuO納米粉體。設計先按組成Zn1-x-yCoxCuyO計算不同x、y時分析純的硫酸鋅、氯化鈷、氯化銅所需的質量，按每組不同的質量比進行混合均勻，加入等質量的尿素，溶液置于水浴鍋中攪拌，向溶液中逐滴滴加尿素并攪拌，使金屬鹽溶液在尿素環境中均勻形成沉淀，冷卻，抽濾，得到前驅物。干燥后，煅燒得到不同組成的ZnO∕CoO-CuO復合材料，同樣方法制備出純ZnO粉體，將以上材料進行光催化性能初步探討，選擇較佳性能的材料進行改性和表征。篩選出的較優性能的Zn0.9Co0.09Cu0.01O，Zn0.95Co0.04Cu0.01O材料進行表征，然后用上述相同方法，其中加入8mg聚乙烯吡咯烷酮對Zn0.95Co0.09Cu0.01O進行表面改性，得到改性的復合材料，對比CoO、CuO按同樣方法得到。然后將改性前后的材料進行形貌和光催化性能測定。

2.2 材料表征

紅外光譜（IR）表征：取樣品于研缽中，加KBr粉末，在紅外燈下將產品研磨成粉末，移入壓片模中，加壓，得到半透明鹽片，進行紅外光譜測定。

掃描電子顯微鏡（SEM）表征：取適量樣品放入試管中，以無水乙醇為溶劑，先放入超聲分散器中超聲分散，然后取一滴滴于玻璃片上，烘干，制樣完成后，用掃描電子顯微鏡觀察樣品的形態。

2.3 光催化降解甲基橙的性能測試

本實驗是探討不同用量、不同時間的較佳產品的光催化降解甲基橙的性能。在不同光催化時間下，分別稱取適量產品，加到甲基橙溶液中，經光化學反應儀（汞燈控制器）下光照不同時間，取適量溶液離心分離，在一定吸收波長下測上層清液的吸光度At。

3 結果與討論

3.1 紅外光譜表征結果

根據操作步驟2.2得到樣品的紅外吸收光譜的主要峰值如表1.

表1 各樣品紅外吸收峰的主要峰值

由表1看出：在1430 cm-1左右的紅外吸收峰是Zn-O的振動吸收峰，在460.57 cm-1的左右的紅外吸收峰是Zn-O本征晶格吸收峰，所有樣品的這兩個吸收峰都很強。在1140 cm-1左右的紅外吸收峰是C-O鍵的振動吸收峰,即空氣中CO2或材料表面遺留的尿素中C-O鍵的振動吸收峰。在3612 cm-1，2350 cm-1左右的紅外吸收峰是H-O鍵的振動吸收峰，即空氣中水分子的紅外吸收峰。在830cm-1左右的紅外吸收峰是Cu-O振動吸收峰，在660cm-1左右的紅外吸收峰是Co-O振動吸收峰，這兩個吸收峰比較弱，因為摻雜的量很少，但足以充分說明ZnO中已成功摻雜了CoO和CuO了。復合材料b、c、d的波峰數均大于樣品a的波峰數，均發生了不同程度的藍移，這是由于樣品的量子尺寸效應,量子尺寸效應帶來的能級改變和能隙變寬,使微粒的發射能量增加,光學吸收發生不同程度的移動。

3.2 電鏡表征結果

由電鏡圖表明：按純ZnO、Zn0.9Co0.09Cu0.01O、Zn0.95Co0.04Cu0.01O、PVP改性的Zn0.95Co0.09Cu0.01O順序粒子逐漸減小，顆粒大小從微米級到納米級；產品形狀為細圓柱狀，當鈷的摻雜量增加時，形狀接近于針狀。而經PVP改性的Zn0.9Co0.09Cu0.01O的形貌圖中，團聚現象有所改善，粒子減小。

3.3 光催化降解甲基橙

由表2看出，復合材料光催化的分解率都高于純ZnO。在復合材料中，鈷的含量越低，催化甲基橙的分解率越高；當光照時間增長，催化甲基橙的分解率也越高；PVP改性的ZnO∕CoOCuO復合材料光催化甲基橙的分解率比未改性的分解率更高。其中改性的Zn0.95Co0.04Cu0.01O光催化性能最佳，當用量為0.1g時，光照時間30min時，甲基橙的降解率達到98.48%。

表2 ZnO/CoO-CuO（0.1g）復合材料光催化甲基橙的降解

4 結語

本研究制備了ZnO∕CoO-CuO復合材料粉體，該材料具有良好的性能，粉體晶粒基本完整，粒徑小且分布較均勻，團聚程度小。該復合材料的IR表征說明ZnO中成功摻雜了CoO-CuO；ZnO∕CoO-CuO復合材料具有良好的光催化性能，均高于純ZnO，當光照30min時，甲基橙的分解率可以達到84.22%，而經PVP改性的Zn0.95Co0.04Cu0.01O復合材料，當光照30min時，甲基橙的分解率可以達到98.48%。

國家自然科學基項目：(No.201477091)；江漢大學學生創新課題：(2015yb239)

韓夢靈，本科生，主要從事功能材料研究。

＊通訊作者：郭艷華(1960-)，女，教授。