羅丹明B的ZnO膜光催化降解

摘要：采用納米ZnO膜為催化劑對羅丹明B進行光催化降解試驗。研究溶液pH、羅丹明B初始濃度、H2O2、膜的層數及光照時間對羅丹明B降解效果的影響，確定ZnO膜光催化降解羅丹明B的最佳參數。結果表明，酸性環境可以提高ZnO膜的光催化活性；羅丹明B初始濃度越低光降解的速度越快；H2O2可提高羅丹明B的降解速度；三層膜對羅丹明B的降解率高于單層膜的降解率。采用三層膜為催化劑，在35 mL初始濃度為5 mg/L、pH 1.46的羅丹明B溶液中加入適量的H2O2水溶液后進行光降解，紫外光照射60 min后，羅丹明B的降解率達到99.6%。

關鍵詞：ZnO膜；光催化；降解；羅丹明B

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3294-03

隨著工業化的發展和城鎮化進程的加快推進，排放的污水越來越多，嚴重危害著人類的身體健康[1]，也制約著經濟的可持續發展，污水處理成為每一個地方必須解決的問題。傳統處理污水的方法主要有： 物理法、生物降解法及化學法，但降解效果不理想。近些年發展的半導體光催化技術是一種先進的氧化技術[2，3]，它是將半導體催化劑與某些光源結合共同作用于廢水進行催化降解，相對于傳統廢水處理技術具有高效節能，且能徹底降解廢水中絕大部分有機物等優點[4]，所以受到環境及材料研究者們的廣泛重視。據文獻[5，6]報道ZnO相對于傳統半導體材料TiO2有著更高的光催化活性，其應用研究受到普遍關注。

ZnO光催化機理為光照射時其價帶上的電子被激發到導帶，從而形成電子-空穴對，空穴是強氧化劑，它能將吸附在其表面上的OH-氧化成OH·自由基，該自由基是強氧化劑，可以氧化相鄰的有機物且可以擴散到液相中氧化有機物，最終將有機物氧化成CO2完成降解過程[7]。電子-空穴對在ZnO表面容易發生簡單復合從而降低了ZnO的光催化性能，由于氧化劑是有效的電子俘獲劑，且能提高光催化氧化的速率和效率。鑒于此，采用納米ZnO膜為催化劑外加H2O2對羅丹明B進行光催化降解試驗。研究了溶液pH、羅丹明B初始濃度、H2O2、膜的層數及光照時間對羅丹明B降解效果的影響，確定ZnO膜光催化降解羅丹明B的最佳參數。

1 材料與方法

1.1 材料

醋酸鋅，南昌華通化工試劑有限公司，分析純；乙醇和鹽酸，鄭州中天實驗儀器有限公司，分析純；羅丹明B，深圳市高山化工有限公司，分析純；去離子水，自制。721型紫外-可見分光光度計。

1.2 ZnO膜的制備

采用文獻[8，9]的方法制備ZnO溶膠。將ZnO膠體澆鑄到預先洗凈的載玻片上，通過自然延流形成一層膜，在烘箱中于90 ℃烘10 min后可制備出不同層數的ZnO膜。將ZnO膜在300 ℃焙燒2 h待用。

2.1 羅丹明B初始濃度對其降解率的影響

在相同條件下，對不同濃度的羅丹明B進行光催化降解，結果如圖1所示。由圖1可知，羅丹明B初始濃度為5 mg/L時的降解率高于初始濃度為12.5 mg/L時的降解率。這是因為催化劑的吸附能力有限，當催化劑對羅丹明B的吸附達到飽和時，過量的羅丹明B分子游離于溶液中，無法與催化劑接觸，同時由于羅丹明B是有色溶液，過高的濃度阻擋了入射光的透過，從而減小催化劑對紫外光的吸收，進而影響光生電子-空穴對的數量，這兩種因素共同導致高濃度時的降解率低于低濃度時的降解率。

2.2 ZnO膜層數對羅丹明B降解率的影響

采用在相同條件下處理的ZnO單層膜與三層膜對初始濃度為5 mg/L的羅丹明B進行光降解，研究催化劑用量對羅丹明B降解率的影響，結果如圖2所示。由圖2可見，三層膜時的降解率大于單層膜時的降解率。這可能是因為單層膜在焙燒的過程中變成了類似蜂窩狀的膜，孔洞的位置沒有ZnO，致使實際膜的面積減小，因此，催化劑與羅丹明B的接觸面積也隨之減小，進而影響了催化劑對羅丹明B分子的吸附；而三層膜在焙燒膜變的不均勻的情況下，但仍覆蓋了整個玻璃基底，因此三層膜對羅丹明B的吸附能力大于單層膜，故三層膜對羅丹明B的降解率高于單層膜對其的降解率。

2.3 pH對羅丹明B降解率的影響

羅丹明B溶液的pH采用HCl溶液和NaOH溶液調節，光催化性能測試結果如圖3所示。由圖3可見，溶液的pH對羅丹明B的降解率由高到低為酸性、中性、堿性。這是因為加入到溶液中的H+或OH-可以改變催化劑表面的電荷特性和吸附性能及被降解物的存在形式[10]，進而影響催化劑的活性。當溶液中有大量H+存在時，基底上的ZnO帶正電，促使光生電子向ZnO膜遷移，而光生空穴則與水中的羥基結合生成具有強氧化作用的羥基自由基，從而提高催化劑的活性；當溶液中有大量OH-存在時，ZnO表面帶負電，由于羅丹明B本身帶正電，堿性環境雖提高了催化劑對羅丹明B分子的吸附能力，但是帶負電的ZnO層會吸附光生空穴，減少了溶液中羥基自由基的密度，因此，堿性環境中反而不利于提高催化劑的活性。

2.4 H2O2對羅丹明B降解率的影響

為了研究H2O2對羅丹明B降解率的影響，圖4給出了有H2O2及無H2O2時羅丹明B的降解率隨光照時間的變化而變化的關系曲線。由圖4可以看出，H2O2加快了羅丹明B的降解速度，這是因為H2O2與水中的OH-結合生成具有強氧化作用的羥基自由基，而羥基自由基具有強氧化作用，能將溶液中的羅丹明B分子氧化分解，從而提高了催化劑對羅丹明B的降解率。

2.5 光照時間對羅丹明B降解率的影響

向35 mL初始濃度為5 mg/L、pH 1.46的羅丹明B溶液中加入適量的H2O2水溶液，紫外光照射下測定光照時間對羅丹明B降解率的影響曲線，結果如圖5所示。由圖5可見，羅丹明B的降解曲線在光照的初始階段變化較快，隨光照時間的延長，曲線變得越來越平緩。當光照60 min時羅丹明B的降解率達到99.6%。

3 結論

ZnO膜對羅丹明B光降解結果表明，羅丹明B初始濃度、膜的層數、pH、H2O2及光照時間對羅丹明B的降解率均有一定程度的影響。在紫外光的照射下，采用ZnO三層膜為催化劑，羅丹明B初始濃度為5 mg/L、pH 1.46時對羅丹明B進行光降解，60 min后其降解率達到99.6%。

參考文獻：

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