氧化锌/硅藻土复合材料光催化性能研究

2019-05-31马健岩徐东明

山东化工 2019年9期

马健岩，许峰，徐东明

(沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110168)

含有染料等有机污染物的废水，对生态环境和人类健康影响很大。传统工艺方法对染料废水去除效果不佳，光催化降解技术为染料废水的治理开辟了新的途径[1]。目前，被人们广泛研究的用于光催化降解的光催化剂有ZnO、TiO2和CdS等[2-4]。ZnO粒子为直接帯隙半导体，量子效率比TiO2高，具备较高的光催化活性、耐光化学腐蚀性、成本低和低毒等特点，被认为是最具潜力的一种光催化材料。纯ZnO在空气中不稳定易团聚难回收，因此对氧化锌进行改性尤为重要[5-8]。本文通过硅藻土与氧化锌复合提高光催化效率，改善光催化剂的催化性能。采用扫描电镜，红外光谱等分析手段对氧化锌/硅藻土复合材料进行表征，以亚甲基蓝为模拟有机污染物，对氧化性/硅藻土复合材料的光催化性进行研究。

1 实验

1.1 实验原料

硝酸锌，碳酸钠，硅藻土，亚甲基蓝均为分析纯化学试剂。

1.2 ZnO/硅藻土复合材料的制备

采用直接沉淀法制备ZnO/硅藻土复合材料。室温下，将碳酸钠溶液缓慢滴加至等浓度加有一定量硅藻土的硝酸锌溶液中，充分搅拌1 h，形成均匀的白色絮状物，清洗，干燥，研磨。在300℃下烧结制得ZnO/硅藻土复合材料。

1.3 X射线衍射分析(XRD)

德国布鲁克林D8 Advance，扫描角度10～60°。

1.4 扫描电镜(SEM)

日立S4800。

1.5 红外光谱测试

美国PerkinElmer Spectrum One，溴化钾压片法。

1.6 亚甲基蓝溶液的光催化实验

精确称取 0.05 g干燥的氧化锌/硅藻土复合材料放入烧杯中，加入 50 mL10 mg/L的亚甲基蓝溶液，在室温下电磁搅拌,达吸附平衡后，进行大约2 h的光照实验，每照射10 min取实验样品，离心过滤并取上层清液,使用分光光度计在 664 nm处测定溶液的吸光度。

2 结果与分析

2.1 氧化锌/硅藻土复合材料的制备

从图1可以看出复合材料中主要为氧化锌的衍射峰，由PDF卡可知氧化锌为立方晶相，而由于硅藻土主要成分为无定形二氧化硅，无衍射峰。

图1 ZnO/硅藻土的X射线衍射表征

ZnO/硅藻土复合材料的扫描电镜图见图2。由图2(a)可以看出硅藻土颗粒尺寸约10～30 μm。硅藻土具有微孔结构,孔半径约为200～800 nm，排列有序,使得硅藻土具有比表面积大、孔容大、吸附性能好等特点。由图2(b)可以看出纯氧化锌粒子团聚较为严重，这种团聚结构影响其光催化效率。图2(c)为经过硅藻土负载的氧化锌的表面形貌。硅藻土上ZnO呈均匀分散状态，增大了氧化锌颗粒的分散性以及材料的比表面积。

(a)纯硅藻土；(b)纯氧化锌；(c)氧化锌/硅藻土复合材料

图2 ZnO/硅藻土扫描电镜

Fig.2 SEM of ZnO/diatomite composite materials

ZnO/硅藻土复合材料的红外光谱图见图3。由图3(a)看出在氧化锌的红外光谱曲线，a曲线中未出现碱式碳酸锌的特征吸收峰，而在波数为478 cm-1处的吸收峰，属于氧化锌的本征晶格吸收。图3(b)看出在1090、795、620 cm-1等处出现硅藻土的特征吸收峰。在(c)曲线中可以看出用硅藻土表面修饰后的ZnO在3300～3500 cm-1的位置上表面羟基峰有所加强，说明氧化锌与硅藻土并非单纯物理意义上的复合，存在化学反应复合的可能。红外光谱图进一步说明硅藻土负载ZnO后形成了较为稳定的ZnO/硅藻土复合材料。

(a)纯氧化锌；(b)纯硅藻土；(c)氧化锌/硅藻土复合材料

2.2 光催化性能

2.2.1 不同含量硅藻土样品的光催化活性

由图4可知：随着硅藻土含量的增加，复合光催化剂对亚甲基蓝溶液的降解效率也随之变大，催化性能随之变高，到含量为60%时，光催化效果为最佳。经过硅藻土改性的纳米氧化锌与单纯的氧化锌相比在环境中更加的稳定，硅藻土对亚甲基蓝溶液中水分的吸收和释放，可将水分子分解成正负离子包裹水分子，形成正负离子群，达到增强催化效果的作用。