铜氧化物/氧化锌复合材料的制备及性能表征

李芸玲 张来苹 何静

(1.河南科技学院化学化工学院,河南新乡 453003;2.新乡学院化学化工学院,河南新乡 453003)

铜氧化物/氧化锌复合材料的制备及性能表征

李芸玲1张来苹2何静1

(1.河南科技学院化学化工学院,河南新乡 453003;2.新乡学院化学化工学院,河南新乡 453003)

以Zn(CH3COO)2为锌源、CuSO4·5H2O为铜源,采用低温液相沉淀法,一步合成了铜氧化物/氧化锌复合材料。利用X-射线衍射(XRD)对产物进行了结构和成分表征;利用紫外-可见分光光度计及WS-30A气敏测试系统对样品的光催化性能及气敏性能进行了表征。结果表明:不同铜氧化物与ZnO形成的复合材料具有不同的光催化及气敏性能。

铜氧化物/氧化锌 复合材料 光催化 气敏

1 概述

ZnO作为一种性能优良的n-型半导体材料，在众多应用领域受到了广泛的关注，尤其是在高活性光催化剂及气敏材料方面[1-2]。为了进一步改善ZnO的性能，目前的研究主要集中在以下两个方面：一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术来得到粒径小的产物；另一方面采用如表面贵金属沉积[3]、金属离子掺杂、半导体复合等方法改变其能级结构，进而改善其性能。在本部分工作中，采用低温液相沉淀法，采用p-型半导体(Cu2O、CuO)与ZnO进行复合，利用它们形成的异质结来调整材料的光催化及气敏性能。

图1 Cu2O加入量为10%时所得Cu2O/ZnO复合材料的XRD图

图2 Cu2O加入量为10%时所得Cu2O/ZnO复合材料的光催化图

2 实验部分

2.1 试剂及仪器

实验试剂：Zn(CH3COO)2、CuSO4·5H2O、Na2CO3、NaOH、水合肼、罗比明B、二甲苯、甲苯、甲醇等均为分析纯试剂，实验中用的水均为蒸馏水。

测试仪器：D8 Advance X射线多晶衍射仪；722N紫外-可见分光光度计；WS-30A气敏测试系统。

2.2 铜氧化物/氧化锌复合材料的制备

2.2.1 Cu2O/ZnO复合材料的制备

在80℃水浴条件下，将一定量的油酸钠溶解于CuSO4和Zn(CH3COO)2的混合溶液中，然后加入NaOH溶液，大约10min系统稳定后，倾入水合肼水溶液，之后再加入Na2CO3水溶液，30min后生成白色沉淀，再加入NaOH溶液，再反应1．5h。

图3 Cu2O加入量为10%时所得Cu2O/ZnO复合材料对甲苯、水、二甲苯气体的气敏性质测试图

图4 CuO加入量为10%时所得CuO/ZnO复合材料的光催化及气敏图

2.2.2 CuO/ZnO复合材料的制备

在80℃水浴条件下，将一定量的油酸钠溶解于CuSO4和Zn(CH3COO)2的混合溶液中，温度达到80℃时，加入Na2CO3溶液，2h后再加入NaOH溶液，继续反应1．5h。

反应结束后将样品抽滤洗涤，于60oC烘箱中干燥后研磨备用。

2.3 光催化及气敏性能的表征

2.3.1 样品的光催化性能表征

所制备样品的光催化性能以降解罗丹明B溶液来评价。在烧杯中加入100mL浓度为10mg·L-1的罗丹明B溶液和0．5g的铜氧化物/氧化锌纳米粉体，在降解过程中用磁力搅拌使之混合均匀。在紫外灯照射下，每隔20min取少量混合液，离心除去其中的催化剂后，用722N紫外-可见分光光度计在罗丹明B最大吸收波长(λmax=554nm)处测试样品的吸光度At，光照分解前罗丹明B的吸光度为A0，其降解率为：

2.3.2 样品的气敏性能表征

将制备出的粉体制作成烧结型旁热式气敏元件，采用WS-30A气敏测试系统并采用静态配气法对该元件的气敏性能进行测试。

3 结果与讨论

3.1 Cu2O/ZnO复合材料的表征

3.1.1 Cu2O/ZnO复合材料的XRD表征

图1为Cu2O加入量为10%时所制备的Cu2O/ZnO复合材料的XRD图。从图可以看出，样品的衍射峰峰位与ZnO的标准PDF卡片(JCPDS 36-1451)相一致，说明实验中所得样品为六方晶系纤锌矿结构的ZnO。其次，Cu2O的(200)，(220)对应的峰值也很明显，而且该复合材料中氧化锌的第三个峰值比纯氧化锌的峰值要高一些，可能是Cu2O(111)的衍射峰与之重叠的结果。并且谱图中没有其他衍射峰出现，因此，该条件下合成的Cu2O/ZnO纳米复合氧化物纯度比较高。

3.1.2 Cu2O/ZnO样品的光催化性能表征

图2为已制备出的Cu2O/ZnO样品为催化剂时光催化降解罗丹明B的变化曲线。从图2可以看出，在最初的20min罗丹明B溶液的吸光度有光催化前的1．026降低到0．356，光催化反应20min其光催化的降解率可达到65．3%，可见前20min该产物对罗丹明B的降解效果很好。随着光照时间的延长，罗丹明B的降解率虽然一直在增大，但是增大的幅度较小；经过2h的光照后，制备样品对罗丹明B的降解率为66．4%。所以，制备的Cu2O/ZnO样品对罗丹明B溶液有较好的降解能力。

3.1.3 Cu2O/ZnO样品的气敏性能表征

将已制备的Cu2O/ZnO粉体制成气敏元件，测试其对苯、甲苯、二甲苯、水、氨水、甲醛、醋酸、甲醇等气体的灵敏度，测试结果显示样品只对甲苯、二甲苯、水这三种物质比较敏感。图3为该气敏元件的灵敏度-加热电压曲线图，从中可以看出该气敏元件对甲苯、二甲苯、水的灵敏度都与加热电压成正相关的关系，其中加热电压的变化对甲苯灵敏度的影响不大；并且该气敏元件对水、二甲苯、甲苯这三种物质的灵敏度依次减小。

3.2 CuO/ZnO材料的光催化及气敏性能

为了进一步考察铜氧化物的加入对ZnO光催化性能及气敏性能的影响，我们制备了CuO加入量为10%的CuO/ZnO复合材料，并对其光催化及气敏性能进行了测试表征。图4为该条件下制备的CuO/ZnO复合材料的性能表征曲线，其中图4a为其光催化性能图，图4b为其气敏性能测试图。从图4a可以看出，加入CuO所得样品对罗丹明B的降解率随着光照时间的延长也逐渐增大，但其降解率比添加Cu2O的样品要稍低一些。因此，添加Cu2O时所得产物的光催化性能更好一些。图4b为制备的CuO/ZnO样品的灵敏度-加热电压曲线，测试了其对多种气体的灵敏度，结果显示该样品只对甲醇这一种物质比较敏感；并且样品对甲醇的灵敏度与加热电压成正相关的关系。可见，加入不同的铜氧化物制备出的样品具有不同的光催化及气敏性能。

4 结语

以Zn(CH3COO)2和CuSO4·5H2O为原料，在80℃水浴中通过简单的液相沉淀法一步合成了铜氧化物/氧化锌复合材料，并考察了铜氧化物/氧化锌复合材料的光催化性能及气敏性能。结果表明，Cu2O/ZnO复合材料的光催化性能稍好一些，并对水、甲苯、二甲苯表现出一定的灵敏性；而CuO/ZnO复合材料仅对甲醇表现出灵敏性，对检测气体的选择性更好。

[1]吴晓,郭希,孙媛,程凤伶. ZnO空心纳米球的水热合成及其光催化性能表征[J].材料导报B:研究篇,2013,27(3):1-4.

[2]吴燕军,李容,曾春梅,何平,苟兴龙.ZnO纳米线的微乳-水热法制备与气敏性能[J].应用化工,2013,42(2):221-224.

[3]张振飞,刘海瑞,张华,刘旭光,贾虎生,许并社.ZnO/Ag微米球的合成与光催化性能[J].高等学校化学学报,2013,34(12):2827-2833.

李芸玲(1982-),女,汉,河南商丘人,博士研究生,讲师,主要从事功能无机纳米材料的合成及应用研究。