半導(dǎo)體摻雜納米氧化鋅的研究.pdf

1、科技的高速發(fā)展以及人類文明的進(jìn)步的同時，環(huán)境的污染也日益加重，其中水污染尤為引起全球范圍內(nèi)的廣泛重視。目前，常采用的物化法和生物法水處理工藝，并不能完全消除有機(jī)污染物，且存在二次污染等問題。納米ZnO光催化劑通過光輔助催化作用，將難降解的有機(jī)物最終氧化為CO2和H2O等無機(jī)物，具有高效、節(jié)能、無毒及適合范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備了半導(dǎo)體V2O5、WO3摻雜以及稀土元素Gd與WO3共摻雜納米ZnO粉體

2、，采用XRD、UV-Vis、TEM以及紫外可見分光光度計等測試手段表征了樣品的結(jié)構(gòu)與性能，研究了不同半導(dǎo)體摻雜對納米ZnO晶粒結(jié)構(gòu)、形貌及光催化性能的影響。
　　 研究表明，純相ZnO樣品的光催化活性隨燒成溫度的升高而增強(qiáng)，700℃燒成Z4樣品的光催化活性最高，一級動力學(xué)常數(shù)最大，達(dá)7.08×10-3min-1，光催化4h降解率達(dá)到82.43％。在600℃～700℃范圍燒成樣品均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，隨著燒成溫度的升高，樣品的衍射峰更加

3、尖銳，結(jié)晶度增加，而晶格畸變和晶胞參數(shù)逐漸變小。燒成溫度對納米ZnO晶粒尺寸影響不是很大。隨著燒成溫度的升高，納米ZnO的吸收閾值（λg）逐漸增大，Z4樣品的吸收波長最大為402nm，對應(yīng)最小的禁帶寬度為3.08ev。Z4樣品平行晶面之間的條紋寬度為0.2486nm，對應(yīng)(101)晶面。其傅里葉變換電子衍射花樣為典型的單晶衍射圖譜，屬于六方晶系，其晶粒大小約為70nm左右。采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法可以制備納米尺寸的ZnO粒子，但是需進(jìn)一步提

4、高其光催化活性。正交實驗研究表明，納米ZnO光催化降解MB溶液的最優(yōu)環(huán)境條件為:MB初始濃度為10 mg/L，溶液pH值為6.5，光催化劑加入量為0.3g/50mL。
　　 V2O5摻雜納米ZnO粉體的研究表明，隨著V2O5摻雜量的增加，ZnO樣品的降解效率先增大后減小，V2O5添加量為1.2mol/L的V2樣品的催化活性最高，一級動力學(xué)常數(shù)最大為8.08×10-3min-1，2h降解率達(dá)到84.72％。制備的V2O5摻雜納米Z

5、nO樣品均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較高，且半徑較小的V5+離子進(jìn)入ZnO晶格，生成固溶相Zn3(VO4)2，能夠抑制光子進(jìn)入納米ZnO粒子內(nèi)部，降低對紫外光的吸收。V2樣品的吸收波長最大為407nm，較純相樣品納米ZnO紅移了5nm。V2樣品平行晶面之間的條紋寬度為0.2822nm，對應(yīng)(100)晶面。傅里葉變換電子衍射花樣為典型的單晶衍射圖譜，屬于六方晶系，晶粒大小約為60nm左右，V2O5摻雜可以抑制納米ZnO粒子的生長。光催化活性提高

6、的機(jī)理是V2O5和ZnO都屬于n型半導(dǎo)體，受到光照激發(fā)時，ZnO導(dǎo)帶上產(chǎn)生的光生電子，轉(zhuǎn)移到能級較低的V2O5導(dǎo)帶上，ZnO價帶上產(chǎn)生的空穴轉(zhuǎn)移到能級較低的V2O5價帶上。V2O5起到受主雜質(zhì)的作用，V5+俘獲電子，由高價態(tài)變?yōu)榈蛢r態(tài)，形成電子與空穴的捕獲陷阱，阻礙電子與空穴的復(fù)合，使得樣品的光催化活性得以提高。V2O5摻雜在一定程度上可改善納米ZnO樣品的光催化活性。
　　 WO3摻雜納米ZnO粉體的研究表明，隨著WO3摻雜量

7、的增加，ZnO樣品的降解效率先增大后減小，WO3添加量為2.0mol/L的W3樣品的催化活性最高，一級動力學(xué)常數(shù)最大為9.46×10-3min-1，2h降解率達(dá)到85.28％。制備的WO3摻雜納米ZnO樣品均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較高。WO3在ZnO納米粒子表面生成固溶相ZnWO4，可抑制光子進(jìn)入納米ZnO粒子內(nèi)部，降低對紫外光的吸收。W3樣品的吸收波長最大為413nm，較純相樣品納米ZnO紅移了11nm。W3樣品平行晶面之間的條紋寬度為

8、0.2488nm，對應(yīng)(101)晶面。傅里葉變換電子衍射花樣為典型的單晶衍射圖譜，屬于六方晶系，晶粒大小約為50nm左右。光催化活性提高的機(jī)理是WO3摻雜可以抑制納米ZnO粒子的生長。WO3和ZnO都屬于n型半導(dǎo)體，受到光照激發(fā)時，ZnO導(dǎo)帶上產(chǎn)生的光生電子，轉(zhuǎn)移到能級較低的WO3導(dǎo)帶上，ZnO價帶上產(chǎn)生的空穴轉(zhuǎn)移到能級較低的WO3價帶上。WO3起到受主雜質(zhì)的作用，W6+俘獲電子，由高價態(tài)變?yōu)榈蛢r態(tài)，形成電子與空穴的捕獲陷阱，阻礙電子與

9、空穴的復(fù)合，使得樣品的光催化活性得以提高。WO3摻雜納米ZnO較純相樣品及V2O5摻雜樣品具有較好光催化活性，但是半導(dǎo)體單摻雜對納米ZnO光催化活性的提高有限。
　　 Gd-WO3共摻雜納米ZnO粉體的研究表明，Gd-WO3共摻雜能夠顯著改善納米ZnO樣品的光催化活性，隨著Gd摻雜量的增加，ZnO樣品的降解效率先增大后減小，Gd添加量為0.11 mol/L，WO3添加量為2.0 mol/L的G4樣品的催化活性最高，其一級動力學(xué)常

10、數(shù)最大為11.31×10-3 min-1，2h降解率達(dá)到90.61％。制備的Gd-WO3摻雜納米ZnO樣品均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較高。WO3在ZnO納米粒子表面生成固溶相ZnWO4，而稀土元素Gd可以抑制ZnWO4的生成。納米ZnO粒子表面生成的固溶相ZnWO4，能夠抑制光子進(jìn)入納米ZnO粒子內(nèi)部，降低對紫外光的吸收。G4樣品的吸收波長最大為433 nm，較純相樣品有較大的紅移（達(dá)31nm）。G4樣品平行晶面之間的條紋寬度為0.2623

11、 nm，對應(yīng)(002)晶面。傅里葉變換電子衍射花樣為典型的單晶衍射圖譜，屬于六方晶系，晶粒大小約為40 nm左右，Gd-WO3共摻雜可以進(jìn)一步抑制納米ZnO粒子的生長。提高樣品的光催化活性的機(jī)理研究表明，一方面WO3和ZnO都屬于n型半導(dǎo)體，受到光照激發(fā)時，ZnO導(dǎo)帶上產(chǎn)生的光生電子，轉(zhuǎn)移到能級較低的WO3導(dǎo)帶上，ZnO價帶上產(chǎn)生的空穴轉(zhuǎn)移到能級較低的WO3價帶上。WO3就起到受主雜質(zhì)的作用，W6+俘獲電子，由高價態(tài)變?yōu)榈蛢r態(tài)，形成電子