CdS/ZnO異質結構納米材料的合成及其光催化還原Cr（VI）的研究

夏雨 張旭

摘 要：隨著經濟的發展，環境污染問題日益加劇引來了諸多的關注，就目前的研究結果來看，在眾多半導體材料中，ZnO良好的性質使其在光催化領域有著廣闊的應用前景。通過水熱法合成ZnO多孔納米片，并以其為基底成功制得CdS/ZnO復合納米材料。通過一系列測試表明：在光照45 min后制得的CdS/ZnO復合納米材料，對Cr（VI）的還原率高達96.5%，是純相ZnO的2.6倍。

關鍵詞：水熱法;CdS/ZnO復合納米材料;光催化;Cr（VI）

半導體光催化在實現環境修復和光吸收時的能量轉換方面具有巨大潛力，已引起了大家的關注[1]。在眾多光催化劑中，ZnO因其有效的光催化能力、無毒、低成本和良好的穩定性而被廣泛研究[2]，但仍存在帶隙寬（3.37 eV）及在光催化反應中光生電子-空穴對的快速重組速率的不足，導致ZnO光催化活性降低[3]。所以，需要有效的方法擴展ZnO在可見光區域中的光催化響應，通過與具有窄帶隙的其他半導體偶聯來增強其催化活性[4]。

本試驗利用半導體復合的方法提高ZnO的光催化性能。CdS因帶隙（2.4 eV）較窄，具有較高的活性。同時，CdS的晶格與ZnO相似，可以與ZnO形成II型異質結構[5]，是改善光生電子和空穴分離、提高光催化性能的理想體系，能擴大ZnO在可見光照射下的光催化應用。所以，將ZnO與CdS進行復合形成II型異質結構光催化劑是最佳的選擇。

1 ? ?試驗部分

1.1 ?儀器與試劑

完成試驗所用的儀器：數顯磁力攪拌器、超聲儀、高速臺式離心機、紫外-可見光譜儀、真空干燥箱、氙燈光源、自制的光催化設備;試驗中用到的藥品：桂皮酸、醋酸鋅、尿素、重鉻酸鉀、甲醇，均為分析純。

1.2 ?合成試驗具體步驟

制備ZnO的方法：取一定量桂皮酸溶于蒸餾水中，攪拌30 min使其溶解;之后再稱量0.595 0 g醋酸鋅和0.600 0 g尿素，加入上述桂皮酸溶液中，繼續攪拌30 min;然后將混合溶液裝入反應釜中，在120 ℃下反應10 h;反應結束后，將得到的白色沉淀物洗滌干燥，在400 ℃下煅燒4 h即可。

合成CdS/ZnO復合納米材料：取一定量醋酸鎘，超聲使其溶解;再加入0.053 2 g制備的ZnO粉末，繼續超聲;然后稱取0.076 0 g硫脲均勻分散在混合溶液中;超聲溶解后70 ℃水浴反應2 h，反應結束后，得到的黃色沉淀物洗滌干燥即獲得CdS/ZnO復合納米材料。

1.3 ?材料的測試及表征

本試驗對合成的復合材料使用SU-70型掃描電子顯微鏡進行了形貌觀察，該設備由日本日立公司生產，對合成的復合材料通過X-射線粉末衍射儀進行了結構表征，并對合成的復合材料用紫外-可見光譜儀進行了測試。

1.4 ?光催化活性試驗

在100 mL水中加入20 mg的重鉻酸鉀，超聲并攪拌;再加入5 mL甲醇溶液，超聲均勻后，稱量0.05 g制備的催化劑加到上述溶液中;然后將該溶液在全暗處攪拌30 min，進行吸附-脫附平衡操作;并采用300 W氙燈照射，每隔5 min取樣一次，每次取樣4 mL;最后將所取溶液進行離心，并使用紫外-可見光譜儀在351 nm（重鉻酸鉀最大吸收波長）下測試其吸光度。

2 ? ?結果與討論

2.1 ?X-射線衍射分析

圖1為純相ZnO和CdS/ZnO復合納米材料的XRD圖，圖中的衍射峰尖銳且無雜峰出現，說明制得的樣品結晶較好而且純度高。由圖1（a）可知，制得的ZnO以上各衍射峰與標準卡片（JCPDS No.36-1451）所對應的六方纖鋅礦結構ZnO的特征衍射峰相匹配，可確定產物是氧化鋅。圖1（b）是CdS/ZnO復合納米材料所對應的XRD衍射峰。其中，帶#號的為CdS衍射峰，且峰位與其標準卡片（JCPDS No.41-1049）相對應，同時觀察到ZnO衍射峰沒有變化，表明已經成功合成CdS/ZnO復合納米材料。

2.2 ?場發射掃描電鏡圖

圖2為所制樣品的掃描電鏡圖，圖2（a）為純相ZnO的掃描電鏡圖，可觀察樣品的形貌為多孔的納米片，其厚度約為15 nm。圖2（b）為CdS/ZnO復合納米材料的掃描電鏡圖，可以清楚地觀察到CdS納米小顆粒均勻地分布在多孔片狀ZnO的表面，從圖中對比可知，ZnO在負載前后形貌并沒有改變，表明CdS的負載對底物ZnO的形貌沒有影響，且結合XRD的表征可推測在多孔片狀ZnO表面上是負載的硫化鎘納米顆粒。

2.3 ?紫外-可見漫反射光譜

圖3中（a）（b）分別為純相ZnO、CdS/ZnO復合納米材料的DRS光譜圖。由圖中可以看到，純相ZnO多孔納米片只在紫外區域有明顯的吸收，這是由于ZnO的帶隙較寬，在波長大于400 nm時沒有吸收。同時能發現，制得的復合納米材料在可見光區域有明顯的吸收，主要是因為CdS是窄帶隙材料，和ZnO復合之后使復合材料的吸收區域拓寬到可見光區，提高了復合材料在可見光下的光催化性質。

2.4 ?光催化性能測試

圖4為ZnO和CdS/ZnO復合納米材料還原Cr（VI）的分析圖，從圖4（a）可知，在可見光下照射45 min，純相ZnO多孔納米片對Cr（VI）的還原率為37.6%，CdS/ZnO復合納米材料的還原率為96.5%。通過數據分析得到結論：在同樣的條件下完成還原Cr（VI）的試驗，復合材料對Cr（VI）的還原率較高。從圖4（b）可知，純相ZnO和CdS/ZnO復合納米材料的一級動力學常數分別為：0.012 5 min-1，0.075 9 min-1。其中，CdS/ZnO復合納米材料的一級動力學常數較大。

3 ? ?結語

以桂皮酸、醋酸鋅和尿素為原料，采用簡單的水熱法制備了ZnO多孔納米片。考慮到ZnO自身存在的不足后，利用半導體復合方法，將窄帶隙CdS與寬帶隙ZnO復合形成II型異質結構，對合成的CdS/ZnO復合納米材料通過XRD、SEM、DRS等一系列的測試手段進行了進一步的表征，并測試了其在可見光照射下對Cr6+的還原能力，得到如下結果：制得的CdS/ZnO復合納米材料在光照45 min后對 ? ? ? Cr（VI）的還原率高達96.5%，是純相ZnO的2.6倍。該結果充分證明了半導體復合方式可以提高光生電子、空穴的分離效率和光催化活性。

[參考文獻]

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