氧化鋅基光催化劑的制備方法研究進展

楊文龍

(銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300)

1 引言

ZnO光催化反應制備過程在一般條件下就可以進行的，而且，催化劑對于催化設備沒有什么太高的要求，而催化劑本身的話也是無污染并且可以重復使用的。因其與TiO2具有相近的光催化性能能，使得ZnO成為了研究僅次于TiO2的一種新型的光催化劑，并且，在一些研究中還發現，ZnO在處理污染水之源中的某些難降解的有機物時，取得的效果比TiO2還要好。

本文通過對氧化鋅的形貌控制，探究不同因素對氧化鋅的形貌的影響，并對其做出綜述，然后從摻雜一些金屬、非金屬來討論對于氧化鋅的改進，對比于氧化鋅，摻雜后的新材料又具有哪些優勢，最后是氧化鋅光催化劑制備方法進行的綜述，并對氧化鋅在未來的光催化劑領域進行展望。

2 ZnO的形貌控制

2.1 不同因素對ZnO形貌的影響

通過控制并且改變ZnO的形貌來改變其催化活性，原料的濃度、表面添加劑的活性、反應的時間和溫度等都是能夠對ZnO的形貌產生影響。本章就各個因素對ZnO的形成過程及對其形貌的影響進行了系列的研究總結。

2.1.1 原料的濃度對于ZnO的形貌的影響

單一原料醋酸鋅或尿素的濃度都對ZnO的形貌有著一定程度的影響，這是由于原料溶液濃度不同，過飽和程度不同導致。

2.1.2 表面添加劑的活性對ZnO的形貌影響

檸檬酸鈉一種有機酸鈉鹽，它能夠吸附在金屬和礦物表面，影響其金屬和礦物的生長，所以可以用作為改變ZnO形貌的一種添加劑[3]。因此，一般實驗中選擇檸檬酸鈉作為表面活性劑來控制ZnO形貌。

2.1.3 水熱反應的時間和溫度對ZnO的形貌影響

D.Polsongkram、王靜[2]等人探討水熱反應時間對晶型形貌的影響。得到的結果是：水熱時間的不斷延長，使得ZnO的形貌也隨之發生了一系列的改變；水熱時間為13.5h 時，出現大量的片層組裝殼；水熱時間延長到 16h 時，出現大量的碎片。所以，從反應的時間對ZnO的形貌影響我們可以知道，水熱時間會影響前驅體形貌的形成，主要因為溶液在反應器中進行反應時，各部位的濃度有所差異。

而在反應溫度對ZnO的形貌影響實驗中，我發現，其他條件都相同，只改變水熱反應溫度，對ZnO前驅體形貌影響不大，只是形貌均一程度不同。

3 離子的摻雜對于ZnO的改進

3.1 Ag摻雜氧化鋅

在韓帥[3]的研究中，有Ag摻雜氧化鋅的實驗，該實驗的結果讓我知道，Ag的摻雜能夠影響ZnO的光催化活性，但卻不能說是，摻雜的量越大，所得到的效果就會越好，恰恰相反，過量的摻雜Ag卻會對ZnO光催化劑的催化活性不利，因為其Ag對ZnO的催化活性影響規律是呈波浪曲線的。

Ag的摻雜雖然可以提高光生電子和光生空穴的分離效率[4]，在實際操作和實驗的過程中，摻雜的過程卻并不是我們想象的那么簡單，要考察不僅有光生電子，還要考察光生空穴的分離效率，甚至只要能夠影響氧化鋅光催化劑的光催化活性的其它因素都不能不考慮。在銀摻雜的氧化鋅體系中，若銀摻雜過多，會占據氧化鋅的表面，由于銀會阻塞氧化鋅的孔道，降低氧化鋅的比表面積等原因，嚴重銀摻雜的利用率

3.2 Ce摻雜氧化鋅

鈰摻雜到氧化鋅能使氧化鋅的光催化性能得到提高[5]，與單一的氧化鋅對比，鈰摻雜后的催化劑具有較高光催化性能。摻雜后的ZnO催化劑吸附活性較高，降解率更大。

4 氧化鋅的復合材料光催化劑

4.1 摻雜型

摻雜型光催化劑的制備是近年來各位優秀學者在該領域研究的新方向，通過摻雜一些金屬元素、非金屬元素，就可以很好地改變并且可以說是加強光催化劑的催化性能。摻雜型光催化劑的制備方法也是多種多樣。比如摻雜一些金屬離子：Ag、Ce、Cu、Fe等，可以提高催化劑的吸附活性，增大降解率，從而提高催化劑的催化活性；也可以摻雜非金屬，比如Si、C、Ca等，摻雜后的催化劑材料相比于ZnO來說，其催化劑在原來的基礎上會顯得更加具有更高更強的催化活性，在應用上面也更寬更廣[6]。

4.2 負載型

負載型光催化劑在進來也是研究新走向。其特點是通過選用某些比表面積相對來說比較大一點的物質，就用這種物質來作為光催化劑在生成時的一個載體，然后使用適當的辦法使得均勻的負載到載體上。在實驗中，通常我們用得比較多的制備方法就是溶膠-凝膠法。而近年來，用來作為載體的物質也有很多，比如上述試驗中的檸檬酸鈉，還有活性炭、沸石等等，這些都是一些比較用的多的載體[7]。

5 ZnO光催化劑的展望

氧化鋅作為光催化材料，因為其不錯的催化性能在各大領域中都顯現出很廣闊的應用前景。目前，ZnO光催化劑的制備以及對其光催化性能的改善都取得了很不錯的成果，在催化劑的制備方法上是層出不窮[8]。可是想要生產出具有高活性的ZnO光催化材料這一目的還有待突破。所以ZnO光催化材料還存在很多的難題亟待解決，而現在所面臨的一些困難是：需要進一步完善工業化制備方法，降低制備的成本；進一步提高ZnO的光催化活性；生產出高效的ZnO光催化裝置；在可見光催化機理上取得突破。

6 結論

通過改變溶液原料中的濃度、表面添加劑的活性、水熱反應的時間和溫度，可以對ZnO的形貌進行控制和調控。在溶液原料的濃度中，通過控制溶液原料的濃度，可以對氧化鋅的形貌產生影響，由于在不同的反應液濃度中，溶液的過飽和程度有所不同，從而導致ZnO的形貌也會發生改變；調節表面添加劑的活性，其物質本身和氧化鋅的之間的相互作用是不同的，表面添加劑在載體物質表面的分布是各有不同的，從而影響和改變氧化鋅的形貌；水熱時間會影響ZnO形貌的形成，隨著反應的水熱時間的慢慢的加長，ZnO形貌也會發生比較明顯的變化，而試驗中反應的溫度對于ZnO形貌卻是影響不大，只是形貌均一程度不同。

在離子摻雜氧化鋅的研究中，對于Ag摻雜氧化鋅，是可以影響氧化鋅的光催化活性的；Ce摻雜到氧化鋅能使氧化鋅的光催化性能得到提高，與單一的氧化鋅對比，鈰摻雜后的催化劑具有較高光催化性能。摻雜后的ZnO催化劑吸附活性較高，降解率更大。

在氧化鋅復合材料的催化劑這一塊，卻面臨這難題，其中具有代表性的，一是催化劑的活性需進一步的提高；二是懸浮體系難以分散和回收利用；三是要提高催化劑對可見光的利用率；四是氧化鋅的光腐蝕現象。