煅烧温度对ZnO光催化活性的影响

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摘要：本文以ZnC2O4・2H2O和(NH4)2CO3为原料，采用沉淀法合成前驱体Zn5(OH)6(CO3)2，将前驱体在不同的温度下进行煅烧，制备ZnO纳米粉体。通过XRD和TEM对产品进行了表征，研究氧化锌生长动力学表明，其动力学指数为1.0。以甲基橙为有机污染物考查了煅烧温度对zno光催化活性的影响。结果表明，ZnO光催化活性不仅跟其颗粒尺寸相关，而且还与其结晶性相关。煅烧温度为500℃时，ZnO具有较好的光催化活性。

关键词：ZnO 生长动力学 光催化 煅烧温度

1 引言

随着工业的发展，人类有限的资源受到严重的污染，因此污水处理引起了人们越来越多的关注。光催化氧化法是近几十年来发展起来的一种先进氧化技术（Advanced Oxidation Process，AOP）[1~2]，它是将特定光源（如紫外光UV）与催化剂（ZnO、TiO2或CdS等）的联合作用对有机废水进行降解处理的过程。与传统水处理技术中污染物的分离、浓缩以及相转移等为主的物理方法相比，具有明显的节能、高效、污染物降解彻底等优点。

ZnO作为重要的半导体光催化剂具有较高的催化活性，其应用研究已引起人们的重视[3~4]，并可能成为TiO2的替代物，因为这两种物质具有相同的光催化机理[5]。据文献报道，ZnO比TiO2具有更高的光催化活性，如光催化降

解2-苯基苯酚[6]及苯酚[7]等。

本文通过沉淀法合成了ZnO光催化剂，并采用XRD和TEM对前驱体及ZnO催化剂进行了表征，同时研究了ZnO生长动力学，通过光催化降解甲基橙来考查前驱体煅烧温度对光催化活性的影响。

2 实验

2.1ZnO的合成及表征

实验中所用试剂均为分析纯，所用水均为蒸馏水。采用直接沉淀法合成ZnO纳米粉体，其步骤为将0.5mol/L的 (NH4)2CO3溶液滴加到相同浓度的ZnC2O4・2H2O溶液中，立即生成沉淀，将沉淀物洗涤、分离、干燥，即得前驱物，将前驱物在300~800℃煅烧2h，即得ZnO纳米粉体。

ZnO的相组成和晶粒尺寸分析采用D/MAX-ⅢA型X射线衍射仪，Cu石墨单色器、工作电压为40kV、工作电流为30mA、λ为0.15418nm。ZnO的微观结构和形态采用JEOL JEM-2010HR型透射电镜分析。

2.2ZnO光催化性能的研究

3 结果分析与讨论

3.1前驱体的表征

图1为ZnO前驱体的XRD图谱。从图1中可以看出，所有的衍射峰位置和强度均与JCPDS（No.19-1459）卡上的Zn5(OH)6(CO3)2一致，说明所得前驱体为碱式碳酸锌。

3.2ZnO的表征

图2为前驱体在不同温度下煅烧2h所得ZnO的XRD图谱。从图2中可以看到，ZnO的衍射峰位置和强度均与JCPDS（No.36-1451）卡上的纯ZnO一致，为六方晶系纤锌矿结构，且无其他杂质峰，说明所制ZnO纯度较高。另外，从图2中还可以看出，当煅烧温度较低时，所得产物XRD图谱的衍射峰较宽，说明所得ZnO的平均晶粒尺寸较小。随着煅烧温度的升高，所得产物的XRD图谱的衍射峰变窄，说明所得ZnO的平均晶粒尺寸随着温度的升高逐渐增大。

前驱体在不同煅烧温度下所得产物ZnO的平均晶粒尺寸（Dc）通过Scherrer公式[8]来计算：

Dc=K?姿/（?茁cos?兹） （1）

其中，?姿为X射线波长，?茁为衍射峰半高宽，θ 为衍射角，K为常数。图3为所得ZnO的平均晶粒尺寸和煅烧温度之间的关系。从图3中可以看出，在煅烧温度为300~500℃时，ZnO生长较为缓慢，而温度在600~800℃时，ZnO的晶粒尺寸增长较快。

图4为前驱体在300~800°C下煅烧2h时所得ZnO的TEM图。从图4中可以看出，产物ZnO的颗粒尺寸随着温度的升高而变大。当煅烧温度为300°C时，所得ZnO的颗粒尺寸较小，且其形状不规则、结晶性不好，这与图2中XRD图结果一致。当煅烧温度升高到400~500℃时，所得ZnO颗粒尺寸进一步长大，晶体结晶较好。当煅烧温度升高到600~800℃，所得ZnO的颗粒尺寸进一步增大，并且变化比较明显。这一结果和XRD分析结果一致。因此从XRD图与TEM图进一步验证，随着煅烧温度的升高，有利于ZnO晶粒尺寸的长大。

3.3ZnO的生长动力学

3.4ZnO的光催化性能

图6为不同煅烧温度对所得ZnO的光催化活性的影响。从图6中可以看出，当没有催化剂而只有紫外灯存在时，甲基橙几乎没有降解。而当紫外灯和催化剂同时存在时，甲基橙降解速率较快。另外，从图6中还可以看出，煅烧温度在300~500℃之间时，所得ZnO光催化活性随着煅烧温度的升高而变大。在煅烧温度为500℃时所得ZnO的光催化活性最高，而后，随着煅烧温度的升高，所得ZnO的光催化活性下降。

尽管300~400℃时所得ZnO粉体的颗粒尺寸较小，但其光催化性能不如500℃，这可能是由于煅烧温度较低时，ZnO的晶结性能不好，这从ZnO的TEM图（图4）中可以看出。随着煅烧温度的进一步升高到600~800℃时，ZnO光催化活性下降，这是由于温度高所得ZnO的结晶尺寸变大。纳米颗粒晶粒尺寸变大，比表面积变小，从而减小了表面活性物与有机污染物或H2O分子的接触机会，从而导致光催化活性下降。从上面的结果我们推测，ZnO光催化活性不仅与催化剂的颗粒尺寸相关，而且与颗粒的结晶性相关。

4 结论

采用沉淀法合成了前驱体Zn5(OH)6(CO3)2，前驱体在不同的温度下煅烧制备ZnO纳米粉体。ZnO生长动力学表明其动力学指数为1.0。对不同煅烧温度所得ZnO进行光催化性能研究表明，ZnO的光催化活性不仅与其晶粒尺寸相关，而且与其结晶性能相关。煅烧温度为500℃时所得ZnO具有较好的光催化活性。

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Effect of Calcination Temperature on Photocatalytic Activity of ZnO

LI Xiu-yan1, ZENG Ling-ke2

(1.College of PhysicsJilin Normal University, Siping13600, China ;

2. School of Materials Science and EngineeringSouth China University of Technology, Guangzhou 510640,China)

Abstract: Zn5(OH)6(CO3)2 were prepared by precipitation method using ZnC2O4・2H2O and (NH4)2CO3 as raw materials. And ZnO nanoparticles were obtained by the Zn5(OH)6(CO3)2 with different calcination temperature. The products were characterized by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The research on the growth dynamics of product showed that the dynamic growth index was 1.0. The effect of temperature on photocatalytic activity of ZnO was evaluated using methyl orange as a model organic compound. The results showed that the photocatalytic activity of ZnO depended not only on the grain size but also on the crystalline. In addition, ZnO calcination temperature at 500°C, exhibits the highest photocatalytic activity.

Key words: ZnO; growth dynamics; photocatalyst; calcination temperature