銅氧化物/氧化鋅復合材料的制備及性能表征

李蕓玲 張來蘋 何靜

(1.河南科技學院化學化工學院,河南新鄉 453003;2.新鄉學院化學化工學院,河南新鄉 453003)

銅氧化物/氧化鋅復合材料的制備及性能表征

李蕓玲1張來蘋2何靜1

(1.河南科技學院化學化工學院,河南新鄉 453003;2.新鄉學院化學化工學院,河南新鄉 453003)

以Zn(CH3COO)2為鋅源、CuSO4·5H2O為銅源,采用低溫液相沉淀法,一步合成了銅氧化物/氧化鋅復合材料。利用X-射線衍射(XRD)對產物進行了結構和成分表征;利用紫外-可見分光光度計及WS-30A氣敏測試系統對樣品的光催化性能及氣敏性能進行了表征。結果表明:不同銅氧化物與ZnO形成的復合材料具有不同的光催化及氣敏性能。

銅氧化物/氧化鋅 復合材料 光催化 氣敏

1 概述

ZnO作為一種性能優良的n-型半導體材料，在眾多應用領域受到了廣泛的關注，尤其是在高活性光催化劑及氣敏材料方面[1-2]。為了進一步改善ZnO的性能，目前的研究主要集中在以下兩個方面：一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術來得到粒徑小的產物；另一方面采用如表面貴金屬沉積[3]、金屬離子摻雜、半導體復合等方法改變其能級結構，進而改善其性能。在本部分工作中，采用低溫液相沉淀法，采用p-型半導體(Cu2O、CuO)與ZnO進行復合，利用它們形成的異質結來調整材料的光催化及氣敏性能。

圖1 Cu2O加入量為10%時所得Cu2O/ZnO復合材料的XRD圖

圖2 Cu2O加入量為10%時所得Cu2O/ZnO復合材料的光催化圖

2 實驗部分

2.1 試劑及儀器

實驗試劑：Zn(CH3COO)2、CuSO4·5H2O、Na2CO3、NaOH、水合肼、羅比明B、二甲苯、甲苯、甲醇等均為分析純試劑，實驗中用的水均為蒸餾水。

測試儀器：D8 Advance X射線多晶衍射儀；722N紫外-可見分光光度計；WS-30A氣敏測試系統。

2.2 銅氧化物/氧化鋅復合材料的制備

2.2.1 Cu2O/ZnO復合材料的制備

在80℃水浴條件下，將一定量的油酸鈉溶解于CuSO4和Zn(CH3COO)2的混合溶液中，然后加入NaOH溶液，大約10min系統穩定后，傾入水合肼水溶液，之后再加入Na2CO3水溶液，30min后生成白色沉淀，再加入NaOH溶液，再反應1．5h。

圖3 Cu2O加入量為10%時所得Cu2O/ZnO復合材料對甲苯、水、二甲苯氣體的氣敏性質測試圖

圖4 CuO加入量為10%時所得CuO/ZnO復合材料的光催化及氣敏圖

2.2.2 CuO/ZnO復合材料的制備

在80℃水浴條件下，將一定量的油酸鈉溶解于CuSO4和Zn(CH3COO)2的混合溶液中，溫度達到80℃時，加入Na2CO3溶液，2h后再加入NaOH溶液，繼續反應1．5h。

反應結束后將樣品抽濾洗滌，于60oC烘箱中干燥后研磨備用。

2.3 光催化及氣敏性能的表征

2.3.1 樣品的光催化性能表征

所制備樣品的光催化性能以降解羅丹明B溶液來評價。在燒杯中加入100mL濃度為10mg·L-1的羅丹明B溶液和0．5g的銅氧化物/氧化鋅納米粉體，在降解過程中用磁力攪拌使之混合均勻。在紫外燈照射下，每隔20min取少量混合液，離心除去其中的催化劑后，用722N紫外-可見分光光度計在羅丹明B最大吸收波長(λmax=554nm)處測試樣品的吸光度At，光照分解前羅丹明B的吸光度為A0，其降解率為：

2.3.2 樣品的氣敏性能表征

將制備出的粉體制作成燒結型旁熱式氣敏元件，采用WS-30A氣敏測試系統并采用靜態配氣法對該元件的氣敏性能進行測試。

3 結果與討論

3.1 Cu2O/ZnO復合材料的表征

3.1.1 Cu2O/ZnO復合材料的XRD表征

圖1為Cu2O加入量為10%時所制備的Cu2O/ZnO復合材料的XRD圖。從圖可以看出，樣品的衍射峰峰位與ZnO的標準PDF卡片(JCPDS 36-1451)相一致，說明實驗中所得樣品為六方晶系纖鋅礦結構的ZnO。其次，Cu2O的(200)，(220)對應的峰值也很明顯，而且該復合材料中氧化鋅的第三個峰值比純氧化鋅的峰值要高一些，可能是Cu2O(111)的衍射峰與之重疊的結果。并且譜圖中沒有其他衍射峰出現，因此，該條件下合成的Cu2O/ZnO納米復合氧化物純度比較高。

3.1.2 Cu2O/ZnO樣品的光催化性能表征

圖2為已制備出的Cu2O/ZnO樣品為催化劑時光催化降解羅丹明B的變化曲線。從圖2可以看出，在最初的20min羅丹明B溶液的吸光度有光催化前的1．026降低到0．356，光催化反應20min其光催化的降解率可達到65．3%，可見前20min該產物對羅丹明B的降解效果很好。隨著光照時間的延長，羅丹明B的降解率雖然一直在增大，但是增大的幅度較小；經過2h的光照后，制備樣品對羅丹明B的降解率為66．4%。所以，制備的Cu2O/ZnO樣品對羅丹明B溶液有較好的降解能力。

3.1.3 Cu2O/ZnO樣品的氣敏性能表征

將已制備的Cu2O/ZnO粉體制成氣敏元件，測試其對苯、甲苯、二甲苯、水、氨水、甲醛、醋酸、甲醇等氣體的靈敏度，測試結果顯示樣品只對甲苯、二甲苯、水這三種物質比較敏感。圖3為該氣敏元件的靈敏度-加熱電壓曲線圖，從中可以看出該氣敏元件對甲苯、二甲苯、水的靈敏度都與加熱電壓成正相關的關系，其中加熱電壓的變化對甲苯靈敏度的影響不大；并且該氣敏元件對水、二甲苯、甲苯這三種物質的靈敏度依次減小。

3.2 CuO/ZnO材料的光催化及氣敏性能

為了進一步考察銅氧化物的加入對ZnO光催化性能及氣敏性能的影響，我們制備了CuO加入量為10%的CuO/ZnO復合材料，并對其光催化及氣敏性能進行了測試表征。圖4為該條件下制備的CuO/ZnO復合材料的性能表征曲線，其中圖4a為其光催化性能圖，圖4b為其氣敏性能測試圖。從圖4a可以看出，加入CuO所得樣品對羅丹明B的降解率隨著光照時間的延長也逐漸增大，但其降解率比添加Cu2O的樣品要稍低一些。因此，添加Cu2O時所得產物的光催化性能更好一些。圖4b為制備的CuO/ZnO樣品的靈敏度-加熱電壓曲線，測試了其對多種氣體的靈敏度，結果顯示該樣品只對甲醇這一種物質比較敏感；并且樣品對甲醇的靈敏度與加熱電壓成正相關的關系。可見，加入不同的銅氧化物制備出的樣品具有不同的光催化及氣敏性能。

4 結語

以Zn(CH3COO)2和CuSO4·5H2O為原料，在80℃水浴中通過簡單的液相沉淀法一步合成了銅氧化物/氧化鋅復合材料，并考察了銅氧化物/氧化鋅復合材料的光催化性能及氣敏性能。結果表明，Cu2O/ZnO復合材料的光催化性能稍好一些，并對水、甲苯、二甲苯表現出一定的靈敏性；而CuO/ZnO復合材料僅對甲醇表現出靈敏性，對檢測氣體的選擇性更好。

[1]吳曉,郭希,孫媛,程鳳伶. ZnO空心納米球的水熱合成及其光催化性能表征[J].材料導報B:研究篇,2013,27(3):1-4.

[2]吳燕軍,李容,曾春梅,何平,茍興龍.ZnO納米線的微乳-水熱法制備與氣敏性能[J].應用化工,2013,42(2):221-224.

[3]張振飛,劉海瑞,張華,劉旭光,賈虎生,許并社.ZnO/Ag微米球的合成與光催化性能[J].高等學校化學學報,2013,34(12):2827-2833.

李蕓玲(1982-),女,漢,河南商丘人,博士研究生,講師,主要從事功能無機納米材料的合成及應用研究。