第3期 No.3 2011年6月 June 201l ZnO/Ag/CdCO3纳米复合光催化剂的 制备及性能研究 孟阿兰 ,徐啸 ,李镇江z (1。青岛科技大学化学与分子工程学院生态化工教育部重点实验室,山东 青岛2660421 (2.青岛科技大学机电工程学院山东省高分子材料先进制造技术重点实验室, 山东青岛266061) 纳.蚕C 摘要:采用配位均匀共沉淀法制备出ZnO/Ag/CdCO 纳米复合光催化剂,用TEM、XRD、FT—IR、 米 ICP等对产物的形貌、微观结构及组成进行了表征,着重研究了反应物配比及Cd fNO ) 浓度对 科№ ZnO/Ag/CdCO 纳米复合光催化剂催化降解甲基橙光催化活性的影响规律,结果表明,n fZn ):n O (A :n(Cd2+)=21:1.76:1.75,Cd(NOB) 浓度为0.168 tool・dm 时制得的纳米复合光催化剂对甲基橙 技_墓 (MO)的降解率较ZnO/Ag提高5l%,ZnO/Ag/CdCO,对MO的光催化降解符合一级反应动力学方 程,表观速率常数为1.455l h~,是ZnO/Ag的7倍。 关键词:ZnO/Ag/CdCO3;光催化;甲基橙 Preparation and Properties of ZnO/Ag/CdCO3 Nanocomposite Ph0t0catalysts MENG A—lan .XU Xiao ,LI Zhen-jiang f1.College of Chemistry and Molecular Engineering,Key Laboratory of Eco—chemical Engineering, Ministyr of Education,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China) (2.College of Electromechanical Engineering,Shandong Provincial Key Laboratory of Polymer Material Advanced Manufacturing Technology,Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 26606 1,China) Abstract:The ZnO/Ag/CdC03 nanocomposite photocatalysts were prepared by coordination—coprecipitation method.The morphology,microstructure and component were characterized by TEM,XRD,FT—IR,and ICP.The influence of reac— tants ratio and Cd(NO3)2 concentrations on the photocatalytic activity for methyl orange photodegradati()n over ZnO/Ag/ CdCO3 were studied.The result indicated that the photodegradation ratio of methyl orange over ZnO/Ag/CdCO3 nanocom— posite photocatalysts,which were prepared by selecting n(Zn f):n(Ag+):n(Cd molar ratio of 2 1:1.76:1.75 and Cd(NO3)2 concentration of 0.1 68 tool‘dm。.increased 5 1%compared to ZnO/Ag.The photo degradation ratio of methyl orange over ZnO/Ag/CdCO3 according with first—order reaction kinetics equation and the determined reaction—rate constant(k)of ZnO/Ag/CdCO3 was 1.455 1 h which was 7 times bigger than ZnO/Ag. Keywords:ZnO/Ag/CdCO3;photoctalysis;methyl orange 中_圉 呈;!旦 望 歪里 L文重缉号_ 8 2二 j20_l1)一 二Q9 二Q5 收稿日期:2010—10—09 基金项目:国家自然科学基金项目(50972063),山东省自然科学基金项目(Y2007F64), 青岛市基础研究项目(o9—1—3—27-jch) 57 第8卷第3期 2011年6月 显微与测量 Microtechnique&Measurement Vo1.8 No.3 June 2011 O引言 ZnO是一种性能卓越的Ⅱ一Ⅵ族半导体材料, 其在室温下的禁带宽度为3.37ev,激子束缚能为 60meV,且毒性小、生产工艺简单、成本低廉, 受到光催化半导体材料领域研究者的普遍关注 1。 但由于纯ZnO光生电子转移能力低,导致其光催 化活性不够理想,应用受到限制。如何提高ZnO 的光催化活性成为光催化材料领域研究者力图解 决的问题。近年来的研究结果表明,通过贵金属 负载阁删、金属或非金属掺杂刚7_及复合材料的合 成[81-{”】等方法对ZnO进行改性,可提高其对光生 电子空穴对的分离和转移效率。复合材料不仅保 留着单组份材料的优点,还会由于复合组分的协 同及相互促进作用而赋予材料一些新的优异特 性,因此越来越受到广大研究者的亲睐。贵金属 复合半导体材料能有效提高光生电子一空穴对 的分离,是当前光催化剂改f生研究的热点之一fI2l f]。 碳酸镉作为一种重要的化工原料而被广泛应用于 玻璃色素的助熔剂、有机反应的催化剂、塑料增 塑剂和稳定剂中fJ4J。本文在课题组前期研究工作『4J 的基础上对ZnO/Ag进行了CdCO。异质复合改性, 以期找到延长光催化剂中还原性电子寿命的方 法,实现提高材料的光催化活性的目的。 1实验部分 1.1 ZnO/Ag/CdCO,纳米复合光催化剂的制备 按照设定的nfZn2+):n(A :n(cd +)比例,准确移 取设定体积浓度为1 tool・dm 的Zn(NO3):溶液、 0.168 tool・dm 的AgNO,溶液及设定浓度的Cd(N03)。 溶液于洁净干燥的三口烧瓶中,搅拌下加入浓氨 水至反应生成的沉淀刚好完全溶解后将反应液置 于80℃恒温水浴槽中,继续搅拌。待反应液中有 少许沉淀出现,以3 mL・min 的速度向其中滴加 设定体积浓度为1 mol・dm 的(NH4):C0 溶液,继 续反应2h后,离心分离、洗涤、干燥,得前躯 体。将前驱体置于真空管式炉中,500 ̄C下煅烧 4h,自然冷却至室温,得ZnO/Ag/CdCO 纳米复合 光催化剂。文中所用ZnO/Ag纳米复合光催化剂按 58 文献【4]所述方法制备。 1.2 ZnO/Ag/CdCO 纳米复合光催化剂的表征 采用D8ADVANCE型x射线衍射仪(XRD) 表征物相结构,JEM一200Ex型透射电子显微镜 (TEM1观察产物形貌,VERTEX70型红外分光光 度计(Frr—IR1定性分析产物组分,Prodigy XP型 电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP1定量分 析产物中金属元素比例。 1.3 ZnO/Ag/CdCO 纳米复合光催化剂的光催化 活性评价 以甲基橙为降解对象,8 w紫外灯(波长为 254 nnl,顺德市杏坛八雄电器五金厂)为光源, 于自制光催化装置中完成纳米复合光催化剂光催 化活性的评价。其方法是顺次向反应器中加入 100mL浓度为10 mg・dm。的甲基橙溶液及0.400g纳 米复合光催化剂,在黑暗条件下超声分散30rain, 使光催化剂对甲基橙的吸附达到平衡,然后开启 光源,控制光源与液面间距为10 cm。反应过程 中每问隔0.5h取样一次,离心分离,用紫外一可 见分光光度计在最大吸收波长(465nm)处测定 所得清液的吸光度,进而求得不同反应时间甲基 橙的浓度及降解率。 2 结果与讨论 2.1 ZnO/Ag/CdCO 纳米复合光催化剂的表征 按2.1所述方法,控制原料配 ̄n(Zn ):n(Ag ): n(Cdz+1=21:1.76:1.75,用0.168 mol・dm 的Cd(NO3)2 溶液进行制备反应,所得产物的XRD谱网见图1。 图1中标有ZnO的衍射峰的峰位及峰强与六方纤锌 矿结构ZnO(JCPDS No.36—145 l,a=0.3249、c= 0.5206 nm)完全一致;标有Ag的四个衍射峰的 峰位及峰强与立方Ag(JCPDS Card.No.04— 0783,a=04086nm, =p= =90。)完全一致;标 有CdCO,的衍射峰的峰位及峰强与斜方六面体 CdCO3(JCPDS Card.No.42—1 342,a=0.4929 nm. 第3期 2011年6月 纳米科技 Nanoscience&Nanotechnology No.3 June 2011 2 0(degree) w number【cⅡ 图1 ZnO/Ag/CdCO3纳米复合光催化剂 图2纳米复合光催化剂FT—IR4谱 图3 ZnO/Ag/CdCO3纳米复合光催 XRD4谱 化剂TEM照片 c=1.6306nm)完全一致,据此可判定制备产物为 2.2 ZnO/Ag/CdCO 纳米复合粉体的光催化性能 ZnO/Ag/CdCO,复合光催化剂。其FT—IR图谱见图 评价 2。波数1423.38、858.81、723.64处为CdCO3的特 征吸收峰,波数499.96、434.38处为ZnO的特征吸 用浓度为0.168 tool・dm 的Cd(NO3):溶液,分 收峰,对应于Zn—O键的伸缩振动。波数3031.86 别按原料配比n(Zn23:n(Ag+):n(Cd2+)=21:1.76:1/1.17/ 为一OH的特征吸收峰,可能是试样未完全干燥或 1.40/1.75/2.33/3.50制备的ZnO/Ag/CdCO3和ZnO/ 因受潮而含有少量水分所致。由于复合材料中Ag Ag为光催化剂降解甲基橙溶液3h,降解率【(c c) 为单质,因此,无法通过FT—IR检测到其存在。 /co]如图4所示。由图4可以看出,1)2ZnO/Ag为光 但对产物进行ICPN试,结果显示产物中含有银, 催化剂,3h甲基橙的降解率仅有46.9%。ZnO/Ag/ 且试样中Zn:Ag:Cd的质量比为33:3:5。可见,FT— CdCO,对甲基橙的光催化降解活性明显要高于未 IR和ICP与XRD分析结果是一致的。图3是ZnO/ 复合CdCO3的ZnO/Ag,且随着CdCO3量增加,降 Ag/CdCO 复合光催化剂的TEM照片,可以看出, 解率提高。这可能是由于CdCO 在材料中起到了 复合光催化剂的粒径为15—20nm,分散较好,而 类似电子迁移中心的作用,复合CdCO。增加了光 小尺寸有利于增大材料的比表面积,提高材料的 激发产生的电子一空穴对的分离效率,从而提高 光催化活性。 了材料的光催化活性。按原料配 ̄n(Zn +):n(A :n (Cd ):21:1.76:1.75制得的ZnO/Ag/CdCO3光催化 n(Zn”):n(A )n(cd 1 图4反应物配比对ZaO/Ag/CdCO3 图5应物浓度对ZrtO/Ag/CdCO3 图6甲基橙光催化剂降解动力学 光催化活性的影响 光催化活性的影响 拟合线性曲线 59 第8卷第3期 201 1年6月 显微与测量 Mieroteehnique&Measurement V01.8 No.3 June 2011 活性最高,3h甲基橙的降解率可达97.9%。但继 续增加反应物中Cd 的比例,降解率反而呈现递 减趋势。这表明CdCO 的含量过多会抑制光激发 电子一空穴电子对的分离和转移效率。 固定原料配比为n(Zn2+):n(Ag+):n(Cd。+1=21:1.76: 1.75,分别用浓度为0.084、0.168、0.252、0.336 mol・dm 的Cd(NO ) 溶液进行制备反应,并以制 备的系列产物及ZnO/Ag为光催化剂降解甲基橙溶 液3h,降解率如图5所示。由图5可以看出,初期 甲基橙的降解率随Cd(NO ) 溶液浓度增加而增 加,用浓度为0。168 mol・dm 的Cd(N03 溶液制备 的ZnO/Ag/CdCO,光催化性活性最高,3h后甲基橙 溶液的降解率达到97.9%。但继续f@ ̄[:ICdCNO,)2;Tg 液浓度,甲基橙的降解率反而呈现递减趋势,可 能是因为较高的反应物浓度会使CdCO,颗粒生长 时间增长导致的尺寸增大造成的。综上所述,原 料酉己比n(Zn +1:n(Ag+):n(Cd +)=21:1.76:1.75,c[Cd (NO3d=0.168 mol・din 为制备ZnO/Ag/CdCO3复合 纳米光催化剂的优选条件。以优选条件下的制备 产物及ZnO/Ag为光催化剂催化降解甲基橙溶液,一 In(c/c0)与反应时间呈线性关系(如图6所示),相 关系数别为0.9839和0.9695,表明以ZnO/Ag/Cd— CO,和ZnO/Ag为光催化剂降解甲基橙均具有一级 反应动力学特征,其动力学方程分别为一In(c/c0= 1.4551t一0.1523和一In fc/c0)=0.2056t'0.0481,表 观速率常数分别为1.455 1 h 和0.2056 h~。与ZnO/ AgXH比,ZnO/Ag/CdCO,对应的表观速率常数明显 增大,是前者的7倍。表明CdCO 复合提高了ZnO/ Ag在紫外光下的光催化活性。 3结论 znO,Ag纳米复合材料中引入CdCO,可有效提 高其光催化活性,且反应物配比及Cd(NO,) 浓度 是影响所得产物光催化活性的主要因素。用浓度 为0.168 inol・din 的Cd fNO,):溶液,按原料配比n (Zn +):n(Ag ):n(Cd 十)=2】:1.76:1.75制备的ZnO/Ag/ CdCO 复合纳米光催化剂光催化活性最好,在8W 紫外灯照射下降解甲基橙溶液3h,降解率达到 97.9%,远要高: ̄ZnO/Ag的46.9%。ZnO/Ag/CdCO 和ZnO/Ag光催化降解甲基橙均为一级反应,前者 60 表观速率常数为1.4551 h一,是后者的7倍,表明 CdCO3在ZnO/Ag/CdCO。中可以作为材料表面电荷 转移的桥梁,从而提高材料中光激发产生的电 子一空穴对的分离和转移效率,使得材料的光催 化活性得到明显的提高。 参考文献 [1】 王英连,孙汪典,任思雨,等.ZnO薄膜的制备及光催化 性能研究fJ]_工业催化,2005,13(1):37—40. 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