煅燒溫度對ZnO光催化活性的影響

摘要：本文以ZnC2O4·2H2O和(NH4)2CO3為原料，采用沉淀法合成前驅體Zn5(OH)6(CO3)2，將前驅體在不同的溫度下進行煅燒，制備ZnO納米粉體。通過XRD和TEM對產品進行了表征，研究氧化鋅生長動力學表明，其動力學指數為1.0。以甲基橙為有機污染物考查了煅燒溫度對ZnO光催化活性的影響。結果表明，ZnO光催化活性不僅跟其顆粒尺寸相關，而且還與其結晶性相關。煅燒溫度為500℃時，ZnO具有較好的光催化活性。

關鍵詞：ZnO 生長動力學 光催化 煅燒溫度

1 引言

隨著工業的發展，人類有限的資源受到嚴重的污染，因此污水處理引起了人們越來越多的關注。光催化氧化法是近幾十年來發展起來的一種先進氧化技術（Advanced Oxidation Process，AOP）[1~2]，它是將特定光源（如紫外光UV）與催化劑（ZnO、TiO2或CdS等）的聯合作用對有機廢水進行降解處理的過程。與傳統水處理技術中污染物的分離、濃縮以及相轉移等為主的物理方法相比，具有明顯的節能、高效、污染物降解徹底等優點。

ZnO作為重要的半導體光催化劑具有較高的催化活性，其應用研究已引起人們的重視[3~4]，并可能成為TiO2的替代物，因為這兩種物質具有相同的光催化機理[5]。據文獻報道，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。

本文通過沉淀法合成了ZnO光催化劑，并采用XRD和TEM對前驅體及ZnO催化劑進行了表征，同時研究了ZnO生長動力學，通過光催化降解甲基橙來考查前驅體煅燒溫度對光催化活性的影響。

2 實驗

2.1ZnO的合成及表征

實驗中所用試劑均為分析純，所用水均為蒸餾水。采用直接沉淀法合成ZnO納米粉體，其步驟為將0.5mol/L的 (NH4)2CO3溶液滴加到相同濃度的ZnC2O4·2H2O溶液中，立即生成沉淀，將沉淀物洗滌、分離、干燥，即得前驅物，將前驅物在300~800℃煅燒2h，即得ZnO納米粉體。

ZnO的相組成和晶粒尺寸分析采用D/MAX-ⅢA型X射線衍射儀，Cu石墨單色器、工作電壓為40kV、工作電流為30mA、λ為0.15418nm。ZnO的微觀結構和形態采用JEOL JEM-2010HR型透射電鏡分析。

2.2ZnO光催化性能的研究

3 結果分析與討論

3.1前驅體的表征

圖1為ZnO前驅體的XRD圖譜。從圖1中可以看出，所有的衍射峰位置和強度均與JCPDS（No.19-1459）卡上的Zn5(OH)6(CO3)2一致，說明所得前驅體為堿式碳酸鋅。

3.2ZnO的表征

圖2為前驅體在不同溫度下煅燒2h所得ZnO的XRD圖譜。從圖2中可以看到，ZnO的衍射峰位置和強度均與JCPDS（No.36-1451）卡上的純ZnO一致，為六方晶系纖鋅礦結構，且無其他雜質峰，說明所制ZnO純度較高。另外，從圖2中還可以看出，當煅燒溫度較低時，所得產物XRD圖譜的衍射峰較寬，說明所得ZnO的平均晶粒尺寸較小。隨著煅燒溫度的升高，所得產物的XRD圖譜的衍射峰變窄，說明所得ZnO的平均晶粒尺寸隨著溫度的升高逐漸增大。

前驅體在不同煅燒溫度下所得產物ZnO的平均晶粒尺寸（Dc）通過Scherrer公式[8]來計算：

Dc=K?姿/（?茁cos?茲） （1）

其中，?姿為X射線波長，?茁為衍射峰半高寬，θ 為衍射角，K為常數。圖3為所得ZnO的平均晶粒尺寸和煅燒溫度之間的關系。從圖3中可以看出，在煅燒溫度為300~500℃時，ZnO生長較為緩慢，而溫度在600~800℃時，ZnO的晶粒尺寸增長較快。

圖4為前驅體在300~800°C下煅燒2h時所得ZnO的TEM圖。從圖4中可以看出，產物ZnO的顆粒尺寸隨著溫度的升高而變大。當煅燒溫度為300°C時，所得ZnO的顆粒尺寸較小，且其形狀不規則、結晶性不好，這與圖2中XRD圖結果一致。當煅燒溫度升高到400~500℃時，所得ZnO顆粒尺寸進一步長大，晶體結晶較好。當煅燒溫度升高到600~800℃，所得ZnO的顆粒尺寸進一步增大，并且變化比較明顯。這一結果和XRD分析結果一致。因此從XRD圖與TEM圖進一步驗證，隨著煅燒溫度的升高，有利于ZnO晶粒尺寸的長大。

3.3ZnO的生長動力學

3.4ZnO的光催化性能

圖6為不同煅燒溫度對所得ZnO的光催化活性的影響。從圖6中可以看出，當沒有催化劑而只有紫外燈存在時，甲基橙幾乎沒有降解。而當紫外燈和催化劑同時存在時，甲基橙降解速率較快。另外，從圖6中還可以看出，煅燒溫度在300~500℃之間時，所得ZnO光催化活性隨著煅燒溫度的升高而變大。在煅燒溫度為500℃時所得ZnO的光催化活性最高，而后，隨著煅燒溫度的升高，所得ZnO的光催化活性下降。

盡管300~400℃時所得ZnO粉體的顆粒尺寸較小，但其光催化性能不如500℃，這可能是由于煅燒溫度較低時，ZnO的晶結性能不好，這從ZnO的TEM圖（圖4）中可以看出。隨著煅燒溫度的進一步升高到600~800℃時，ZnO光催化活性下降，這是由于溫度高所得ZnO的結晶尺寸變大。納米顆粒晶粒尺寸變大，比表面積變小，從而減小了表面活性物與有機污染物或H2O分子的接觸機會，從而導致光催化活性下降。從上面的結果我們推測，ZnO光催化活性不僅與催化劑的顆粒尺寸相關，而且與顆粒的結晶性相關。

4 結論

采用沉淀法合成了前驅體Zn5(OH)6(CO3)2，前驅體在不同的溫度下煅燒制備ZnO納米粉體。ZnO生長動力學表明其動力學指數為1.0。對不同煅燒溫度所得ZnO進行光催化性能研究表明，ZnO的光催化活性不僅與其晶粒尺寸相關，而且與其結晶性能相關。煅燒溫度為500℃時所得ZnO具有較好的光催化活性。

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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