氧化鋅改性方法及其應用的研究進展

趙鳳香，安 召，林佳宏，徐家杰，丁志平

(西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730124)

隨著工業的快速發展，環境問題在世界范圍內變得越來越突出，水污染是最嚴重的問題之一。1976年，Carey等[1]最早使用半導體光催化劑TiO2降解環境污染物多氯聯苯，開辟了光催化應用的新領域。

常用的半導體光催化劑有TiO2、ZnO、CdS、SiO2等，近年來也有一些研究表明，ZnO在紫外區的響應要比TiO2強，針對某些有機分子ZnO的降解性能更好，證明其可以用于污水降解、光電材料、光催化產氫等。但因為氧化鋅有一定缺陷，比如電子-空穴復合率高、只吸收紫外光、易損失不便回收利用等。本文著重介紹氧化鋅改性方法的研究和應用進展。

1 氧化鋅的改性方法及其應用

1.1 貴金屬沉積改性

貴金屬沉積是指通過某種物理或化學方法將納米級的Ag、Pt、Au等微粒沉積在半導體表面，形成異質結構。貴金屬和氧化鋅兩者的費米能級不同，貴金屬可以作為臨時倉儲來捕獲光生電子，提高電子和空穴的分離率，貴金屬還可以在可見光的照射下產生表面等離子體共振[2]，提高光催化劑對光的吸收利用效率。

Sun等[3]采用一種生產成本低且易于實現工業化的化學沉淀法，在堿性條件下，以可溶鋅鹽與硝酸銀用葡萄糖一步還原沉淀，制備了Ag沉積改性的納米Ag/ZnO，Ag離子部分嵌入氧化鋅的晶格，增大了晶面間距，XRD圖中氧化鋅衍射峰的位置發生偏移，在最佳Ag含量沉積的條件下，Ag/ZnO的光催化降解亞甲基藍的效率是純氧化鋅的1.93倍，光催化效率有了明顯的提升，且在此后多次的循環實驗中，證明復合材料Ag/ZnO有更強的耐光腐蝕性能。

1.2 半導體復合改性

氧化鋅的禁帶寬度為3.37 eV，只能吸收紫外光部分，復合不同的具有能級差異的半導體，所形成的異質結構可以提高電荷分離效率，并將光響應范圍延伸至可見光區。

彭勇剛[4]在表面活性劑的存在下，直接沉淀制備了纖鋅礦ZnO和金紅石型SnO2復合而成的光催化劑，在光催化降解亞甲基藍的實驗中，Sn/Zn存在最佳摩爾比為1∶4，反應物濃度和煅燒溫度也會對光催化效率產生影響。

Jiang等[5]采用水熱法制備微納米Cu2O球形顆粒，用電化學沉積的方法將其修飾在ZnO薄膜表面，修飾之后的ZnO薄膜有更大的比表面積，吸收邊移動至可見光區域，對污染物甲基橙表現出了較好的光催化去除能力。

1.3 離子摻雜改性

趙菲[6]通過一步水浴合成法用不同量的Ce對中空狀的ZnO進行摻雜，得到的Ce/ZnO粒徑變小，但介孔數量增多，且比表面積是純ZnO的4.3倍，Ce4+代替Zn2+存在于催化劑表面，有更強的捕獲電子能力，對甲基橙的降解率明顯高于純ZnO，且抗光腐蝕能力強可循環利用。

王元有[7]先運用軟模板法制備多孔ZnO微球，再用水熱法將過渡金屬Ni摻雜在ZnO空心微球中，Ni在ZnO表面均勻分布，比表面積增大，其電流密度高于純ZnO電極，Ni粒子進入晶格增加了氧空位缺陷，提高了光催化性能，當Ni的摻雜量為5%時Ni/ZnO的光催化活性達到最佳。

2 與磁性材料復合改性

在實際應用中，存在納米光催化劑在水中易團聚、損失率高、重復利用率低、固液分離困難等問題，引入磁性材料與催化劑復合，即可在外加磁場的條件下實現磁轉移，是一種十分簡便、高效的方法。

李艷芬[8]提出一種熱溶劑法，以二水合醋酸鋅為鋅源，六水合氯化鐵為鐵源，乙二醇為還原劑和溶劑，一步合成了Fe3O4/ZnO復合材料。由于[Zn(OH)4]2-濃度的不同，所生成的Fe3O4/ZnO復合材料的形貌有紡錘形和多孔正六邊形結構。并且在降解亞甲基藍的實驗中，因為紫外光照射和亞鐵離子、過氧化氫的協同作用，使Fe3O4/ZnO復合材料光催化性能優越。

3 結語

通過貴金屬沉積、離子摻雜、與半導體復合或者負載在碳結構材料上，可以提高氧化鋅納米材料的比表面積，可以加快空穴-電子分離效率提高光催化性能，可以將光響應范圍從紫外區延長至可見光區，修飾表面缺陷可以增強抗光腐蝕能力；與磁性材料復合可以減少催化劑的損失，實現多次循環利用。通過以上多種方法改性后的氧化鋅在污水處理、光催化劑合成有機中間體等多個領域都表現出良好的性能和應用前景。但是水體污染物還包括抗生素、酚類、重金屬等，合成催化劑有更好的代替品，以及較難實驗工業化生產等大大小小的問題，因此未來關于氧化鋅性能提升的研究仍需要多方面深入探索。