ZnO-石墨烯复合材料的制备及其光催化降解性能研究*

2021-06-07李林枝

功能材料 2021年5期

李林枝

(吕梁学院化学化工系，山西吕梁 033000)

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随着工业社会的进步，环境污染已经成为了制约我国发展的主要问题，目前废水处理是影响最为广泛的问题，对于废水处理，常用的手段就是光催化[1-4]。光催化是指半导体材料在紫外及可见光照射下，将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解。金属氧化物常常被作为光催化剂，在众多光催化剂中，ZnO凭借其宽禁带(3.3～3.4eV)、较高的激子结合能和优异的常温发光性能等成为了光催化降解水污染的核心研究方向[5-10]。但同时ZnO在催化中也存在一些缺点，例如：ZnO仅对紫外光(λ<400 mm)有较强吸收，对可见光区域的吸收利用率较低、ZnO的电子-空穴复合概率较高，复合速率较快[11-15]，这些问题都严重制约了ZnO在光催化中的应用。而为了解决这些问题，研究者们常常在ZnO中加入一些金属离子或非金属离子，从而改变其带隙宽度、抑制电子-空穴复合，提高ZnO的光催化性能[16-19]。石墨烯(Graphene)是一种由碳原子堆积成的二维蜂窝状结构的碳材料，因其较大的比表面积、良好的热传导性能、优异的光学特性等优点被广泛应用于传感器、晶体管、新能源电池等[20-21]。石墨烯因具有高的载流子迁移速率和导电率也被用于光催化研究，石墨烯与ZnO复合后可以有效阻碍电子-空穴的复合，并产生其它自由基来提高对有机物的降解[22-23]。近年来，越来越多的研究者开始关注ZnO的改性研究。邓雪莹等[24]以改进Hummers法制得的氧化石墨烯(GO)为原料，采用溶胶-凝胶法成功合成GO改性的ZnO-CeO2复合纳米光催化剂，并以刚果红(CR)为目标降解污染物，考察了不同配合比的产物在紫外光照射下的光催化性能，研究结果表明，在CeO2与ZnO摩尔配合比为1∶50，GO用量为0.8 g， pH值为10，反应120 min条件下，复合纳米光催化剂对100 mL(50 mg/L)CR的降解率高达94.12%，光催化性能得到了明显提高。Nguyen V Q等[25]制备了3种不同形貌的高效廉价氧化锌纳米颗粒，并将其固定在还原氧化石墨烯(RGO)上，结果表明，纳米球形ZnO/RGO复合材料在低负载催化剂0.1 g/L、低功率(40 W)紫外照射60 min后对亚甲基蓝和罗丹明B的去除率最高，分别达到99%和98%。该纳米复合材料在紫外光照射下也表现出良好的光催化稳定性，在降解亚甲基蓝 15次后仍能保持96%的效率。Haghshenas P等[26]采用原位化学合成和电解相结合的方法制备了ZnO/氧化石墨烯准核壳纳米粒子及纯ZnO，结果表明，石墨烯只是改变了PL峰的强度，亚甲基蓝在ZnO/GO准核壳结构中的降解速率小于纯氧化锌的降解速率。ZnO与氧化石墨烯偶联后，提出了两种机理：一是核壳边界的能带结构改变；二是碳原子在ZnO表面的扩散或作为掺杂剂的作用。本文选择还原氧化石墨烯(RGO)作为掺杂剂，通过改变RGO的掺量，制备了RGO含量为0%，2%，4%，6%和8%(质量分数)的ZnO-石墨烯复合材料，研究了RGO的掺杂对复合材料光催化性能的影响。

1 实验

1.1 实验原材料

石墨粉(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)，硝酸钠(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)，高锰酸钾(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)，双氧水(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)，浓硫酸(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)，乙酸锌(分析纯，购买于天津市恒兴化学试剂制造有限公司)，乙二醇(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)，无水乙醇(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)，甲基橙(分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司)。