氧化锌基光催化剂的制备方法研究进展

杨文龙

(铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300)

1 引言

ZnO光催化反应制备过程在一般条件下就可以进行的，而且，催化剂对于催化设备没有什么太高的要求，而催化剂本身的话也是无污染并且可以重复使用的。因其与TiO2具有相近的光催化性能能，使得ZnO成为了研究仅次于TiO2的一种新型的光催化剂，并且，在一些研究中还发现，ZnO在处理污染水之源中的某些难降解的有机物时，取得的效果比TiO2还要好。

本文通过对氧化锌的形貌控制，探究不同因素对氧化锌的形貌的影响，并对其做出综述，然后从掺杂一些金属、非金属来讨论对于氧化锌的改进，对比于氧化锌，掺杂后的新材料又具有哪些优势，最后是氧化锌光催化剂制备方法进行的综述，并对氧化锌在未来的光催化剂领域进行展望。

2 ZnO的形貌控制

2.1 不同因素对ZnO形貌的影响

通过控制并且改变ZnO的形貌来改变其催化活性，原料的浓度、表面添加剂的活性、反应的时间和温度等都是能够对ZnO的形貌产生影响。本章就各个因素对ZnO的形成过程及对其形貌的影响进行了系列的研究总结。

2.1.1 原料的浓度对于ZnO的形貌的影响

单一原料醋酸锌或尿素的浓度都对ZnO的形貌有着一定程度的影响，这是由于原料溶液浓度不同，过饱和程度不同导致。

2.1.2 表面添加剂的活性对ZnO的形貌影响

柠檬酸钠一种有机酸钠盐，它能够吸附在金属和矿物表面，影响其金属和矿物的生长，所以可以用作为改变ZnO形貌的一种添加剂[3]。因此，一般实验中选择柠檬酸钠作为表面活性剂来控制ZnO形貌。

2.1.3 水热反应的时间和温度对ZnO的形貌影响

D.Polsongkram、王静[2]等人探讨水热反应时间对晶型形貌的影响。得到的结果是：水热时间的不断延长，使得ZnO的形貌也随之发生了一系列的改变；水热时间为13.5h 时，出现大量的片层组装壳；水热时间延长到 16h 时，出现大量的碎片。所以，从反应的时间对ZnO的形貌影响我们可以知道，水热时间会影响前驱体形貌的形成，主要因为溶液在反应器中进行反应时，各部位的浓度有所差异。

而在反应温度对ZnO的形貌影响实验中，我发现，其他条件都相同，只改变水热反应温度，对ZnO前驱体形貌影响不大，只是形貌均一程度不同。

3 离子的掺杂对于ZnO的改进

3.1 Ag掺杂氧化锌

在韩帅[3]的研究中，有Ag掺杂氧化锌的实验，该实验的结果让我知道，Ag的掺杂能够影响ZnO的光催化活性，但却不能说是，掺杂的量越大，所得到的效果就会越好，恰恰相反，过量的掺杂Ag却会对ZnO光催化剂的催化活性不利，因为其Ag对ZnO的催化活性影响规律是呈波浪曲线的。

Ag的掺杂虽然可以提高光生电子和光生空穴的分离效率[4]，在实际操作和实验的过程中，掺杂的过程却并不是我们想象的那么简单，要考察不仅有光生电子，还要考察光生空穴的分离效率，甚至只要能够影响氧化锌光催化剂的光催化活性的其它因素都不能不考虑。在银掺杂的氧化锌体系中，若银掺杂过多，会占据氧化锌的表面，由于银会阻塞氧化锌的孔道，降低氧化锌的比表面积等原因，严重银掺杂的利用率

3.2 Ce掺杂氧化锌

铈掺杂到氧化锌能使氧化锌的光催化性能得到提高[5]，与单一的氧化锌对比，铈掺杂后的催化剂具有较高光催化性能。掺杂后的ZnO催化剂吸附活性较高，降解率更大。

4 氧化锌的复合材料光催化剂

4.1 掺杂型

掺杂型光催化剂的制备是近年来各位优秀学者在该领域研究的新方向，通过掺杂一些金属元素、非金属元素，就可以很好地改变并且可以说是加强光催化剂的催化性能。掺杂型光催化剂的制备方法也是多种多样。比如掺杂一些金属离子：Ag、Ce、Cu、Fe等，可以提高催化剂的吸附活性，增大降解率，从而提高催化剂的催化活性；也可以掺杂非金属，比如Si、C、Ca等，掺杂后的催化剂材料相比于ZnO来说，其催化剂在原来的基础上会显得更加具有更高更强的催化活性，在应用上面也更宽更广[6]。

4.2 负载型

负载型光催化剂在进来也是研究新走向。其特点是通过选用某些比表面积相对来说比较大一点的物质，就用这种物质来作为光催化剂在生成时的一个载体，然后使用适当的办法使得均匀的负载到载体上。在实验中，通常我们用得比较多的制备方法就是溶胶-凝胶法。而近年来，用来作为载体的物质也有很多，比如上述试验中的柠檬酸钠，还有活性炭、沸石等等，这些都是一些比较用的多的载体[7]。

5 ZnO光催化剂的展望

氧化锌作为光催化材料，因为其不错的催化性能在各大领域中都显现出很广阔的应用前景。目前，ZnO光催化剂的制备以及对其光催化性能的改善都取得了很不错的成果，在催化剂的制备方法上是层出不穷[8]。可是想要生产出具有高活性的ZnO光催化材料这一目的还有待突破。所以ZnO光催化材料还存在很多的难题亟待解决，而现在所面临的一些困难是：需要进一步完善工业化制备方法，降低制备的成本；进一步提高ZnO的光催化活性；生产出高效的ZnO光催化装置；在可见光催化机理上取得突破。

6 结论

通过改变溶液原料中的浓度、表面添加剂的活性、水热反应的时间和温度，可以对ZnO的形貌进行控制和调控。在溶液原料的浓度中，通过控制溶液原料的浓度，可以对氧化锌的形貌产生影响，由于在不同的反应液浓度中，溶液的过饱和程度有所不同，从而导致ZnO的形貌也会发生改变；调节表面添加剂的活性，其物质本身和氧化锌的之间的相互作用是不同的，表面添加剂在载体物质表面的分布是各有不同的，从而影响和改变氧化锌的形貌；水热时间会影响ZnO形貌的形成，随着反应的水热时间的慢慢的加长，ZnO形貌也会发生比较明显的变化，而试验中反应的温度对于ZnO形貌却是影响不大，只是形貌均一程度不同。

在离子掺杂氧化锌的研究中，对于Ag掺杂氧化锌，是可以影响氧化锌的光催化活性的；Ce掺杂到氧化锌能使氧化锌的光催化性能得到提高，与单一的氧化锌对比，铈掺杂后的催化剂具有较高光催化性能。掺杂后的ZnO催化剂吸附活性较高，降解率更大。

在氧化锌复合材料的催化剂这一块，却面临这难题，其中具有代表性的，一是催化剂的活性需进一步的提高；二是悬浮体系难以分散和回收利用；三是要提高催化剂对可见光的利用率；四是氧化锌的光腐蚀现象。