氧化鋅改性方法及其應用的研究進展

趙鳳香，安 召，林佳宏，徐家杰，丁志平

(西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730124)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問題在世界范圍內(nèi)變得越來越突出，水污染是最嚴重的問題之一。1976年，Carey等[1]最早使用半導體光催化劑TiO2降解環(huán)境污染物多氯聯(lián)苯，開辟了光催化應用的新領域。

常用的半導體光催化劑有TiO2、ZnO、CdS、SiO2等，近年來也有一些研究表明，ZnO在紫外區(qū)的響應要比TiO2強，針對某些有機分子ZnO的降解性能更好，證明其可以用于污水降解、光電材料、光催化產(chǎn)氫等。但因為氧化鋅有一定缺陷，比如電子-空穴復合率高、只吸收紫外光、易損失不便回收利用等。本文著重介紹氧化鋅改性方法的研究和應用進展。

1 氧化鋅的改性方法及其應用

1.1 貴金屬沉積改性

貴金屬沉積是指通過某種物理或化學方法將納米級的Ag、Pt、Au等微粒沉積在半導體表面，形成異質(zhì)結構。貴金屬和氧化鋅兩者的費米能級不同，貴金屬可以作為臨時倉儲來捕獲光生電子，提高電子和空穴的分離率，貴金屬還可以在可見光的照射下產(chǎn)生表面等離子體共振[2]，提高光催化劑對光的吸收利用效率。

Sun等[3]采用一種生產(chǎn)成本低且易于實現(xiàn)工業(yè)化的化學沉淀法，在堿性條件下，以可溶鋅鹽與硝酸銀用葡萄糖一步還原沉淀，制備了Ag沉積改性的納米Ag/ZnO，Ag離子部分嵌入氧化鋅的晶格，增大了晶面間距，XRD圖中氧化鋅衍射峰的位置發(fā)生偏移，在最佳Ag含量沉積的條件下，Ag/ZnO的光催化降解亞甲基藍的效率是純氧化鋅的1.93倍，光催化效率有了明顯的提升，且在此后多次的循環(huán)實驗中，證明復合材料Ag/ZnO有更強的耐光腐蝕性能。

1.2 半導體復合改性

氧化鋅的禁帶寬度為3.37 eV，只能吸收紫外光部分，復合不同的具有能級差異的半導體，所形成的異質(zhì)結構可以提高電荷分離效率，并將光響應范圍延伸至可見光區(qū)。

彭勇剛[4]在表面活性劑的存在下，直接沉淀制備了纖鋅礦ZnO和金紅石型SnO2復合而成的光催化劑，在光催化降解亞甲基藍的實驗中，Sn/Zn存在最佳摩爾比為1∶4，反應物濃度和煅燒溫度也會對光催化效率產(chǎn)生影響。

Jiang等[5]采用水熱法制備微納米Cu2O球形顆粒，用電化學沉積的方法將其修飾在ZnO薄膜表面，修飾之后的ZnO薄膜有更大的比表面積，吸收邊移動至可見光區(qū)域，對污染物甲基橙表現(xiàn)出了較好的光催化去除能力。

1.3 離子摻雜改性

趙菲[6]通過一步水浴合成法用不同量的Ce對中空狀的ZnO進行摻雜，得到的Ce/ZnO粒徑變小，但介孔數(shù)量增多，且比表面積是純ZnO的4.3倍，Ce4+代替Zn2+存在于催化劑表面，有更強的捕獲電子能力，對甲基橙的降解率明顯高于純ZnO，且抗光腐蝕能力強可循環(huán)利用。

王元有[7]先運用軟模板法制備多孔ZnO微球，再用水熱法將過渡金屬Ni摻雜在ZnO空心微球中，Ni在ZnO表面均勻分布，比表面積增大，其電流密度高于純ZnO電極，Ni粒子進入晶格增加了氧空位缺陷，提高了光催化性能，當Ni的摻雜量為5%時Ni/ZnO的光催化活性達到最佳。

2 與磁性材料復合改性

在實際應用中，存在納米光催化劑在水中易團聚、損失率高、重復利用率低、固液分離困難等問題，引入磁性材料與催化劑復合，即可在外加磁場的條件下實現(xiàn)磁轉(zhuǎn)移，是一種十分簡便、高效的方法。

李艷芬[8]提出一種熱溶劑法，以二水合醋酸鋅為鋅源，六水合氯化鐵為鐵源，乙二醇為還原劑和溶劑，一步合成了Fe3O4/ZnO復合材料。由于[Zn(OH)4]2-濃度的不同，所生成的Fe3O4/ZnO復合材料的形貌有紡錘形和多孔正六邊形結構。并且在降解亞甲基藍的實驗中，因為紫外光照射和亞鐵離子、過氧化氫的協(xié)同作用，使Fe3O4/ZnO復合材料光催化性能優(yōu)越。

3 結語

通過貴金屬沉積、離子摻雜、與半導體復合或者負載在碳結構材料上，可以提高氧化鋅納米材料的比表面積，可以加快空穴-電子分離效率提高光催化性能，可以將光響應范圍從紫外區(qū)延長至可見光區(qū)，修飾表面缺陷可以增強抗光腐蝕能力；與磁性材料復合可以減少催化劑的損失，實現(xiàn)多次循環(huán)利用。通過以上多種方法改性后的氧化鋅在污水處理、光催化劑合成有機中間體等多個領域都表現(xiàn)出良好的性能和應用前景。但是水體污染物還包括抗生素、酚類、重金屬等，合成催化劑有更好的代替品，以及較難實驗工業(yè)化生產(chǎn)等大大小小的問題，因此未來關于氧化鋅性能提升的研究仍需要多方面深入探索。