氧化锌纳米束形态对光催化能力的改性开题报告

1. 研究目的与意义

光催化氧化是20世纪80年代兴起的一种新型水处理技术，与传统水处理技术中以污染物的分离、浓缩以及相转移等为主的物理方法相比，具有明显的节能、高效、污染物降解彻底等优点，目前，大多数研究都利用tio2作为光催化剂，尽管用tio2作光催化剂具有无二次污染、对光稳定等优点，但如果大量使用tio2作催化剂来进行污水处理则很不经济，因为tio2生产工艺复杂，成本较高。zno作为重要的半导体光催化剂有较高的催化活性，其应用研究目前已引起人们的重视，并可能成为tio2的替代物，因为这两种物质具有相同的光催化降解机理。据文献报道，zno比tio2光催化降解效率更高，如光催化降解纸浆漂白废水、2一苯基苯酚及苯酚等。

氧化锌是一种宽禁带直接半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37ev，激子束缚能为60mev，可以实现室温下的激子发射，产生近紫外的短波发光，被用来制备光电器件，如紫外探测器、紫外激光器等。另外zno还具有很好的导电、导热和化学稳定性能，在太阳能电池、传感器和光催化方面有广泛的应用前景。因此成为国际上半导体材料研究的热点之一。

目前国内外研究者已成功地合成了多种zno纳米结构：huang等制备出的zno纳米铅笔状结构具有尖端和高的比表面积，有望用于场发射微电子器件方面；杨培东、shingohirano小组分别用气相传输法和水热法合成的zno纳米线阵列表现出室温紫外激光发射行为，可用来制备紫外纳米激光器；张立德研究小组用简单的热蒸发方法得到了一种zno纳米薄片状结构，可用于纳米传感器方面。另外，研究者还制备出zno纳米环、纳米带、纳米花和多足状等结构。

2. 研究内容和预期目标

材料的晶型，尺寸和形貌对其光催化活性的影响非常显著。近年来，通过不同的方法控制形貌和生长来提高。yu等以钛酸四丁酯为原料，在hf水溶液中水热制备暴露(001)晶面的片状tio2，与p25相比暴露(001)晶面的片状tio2表现了更高的光催化活性。zno的光催化活性已经有许多的报到，从以上可见，复合物的晶型，尺寸和形貌对其光催化性能的影响很大。本文通过改变氧化锌的形貌研究其对光催化性能的改性。

具体研究内容如下：

1）查阅纳米氧化锌的合成方法。

3. 研究的方法与步骤

本文采用低温水热法,在灼烧过硝酸锌(Zn(NO3)26H2O)的基底上制备出高度取向的ZnO纳米棒阵列薄膜,探讨了水热生长时间、溶液浓度和溶液pH值对生长的ZnO阵列及其催化活性的影响，并利用产物在日光和紫外光下对甲基橙溶液进行光催化降解的研究。

实验所用原料与试剂包括：硝酸锌(Zn(NO3)26H2O)，氯化锌(ZnCl2(A.R.))，氨水(NH3H2O)，无水乙醇(C2H5OH)，有机染料(甲基橙），导电玻璃和去离子水。1ZnO晶种的制备 实验采用的基底是FTO玻璃，先后用酸、碱和纯水超声清洗干净。为利于生长在FTO表面先制一层ZnO晶种。采用硝酸锌热分解的方法来制备ZnO晶种。将基底浸泡在0.005molL-1的硝酸锌的乙醇溶液中10s左右后取出用无水乙醇冲洗，之后再用氮气吹干。如此重复3~5次。然后将基底在空气中加热至350℃并保持20min，使硝酸锌分解为ZnO从而达到制得ZnO晶种的目的。2ZnO纳米棒的制备 在配制好的0.1molL-1的氯化锌溶液中滴加氨水，至溶液刚好再次澄清(此时溶液pH值约为10.4)。将配好的溶液加入30mL的高压釜中(约20mL)，然后将制有晶种的基底放其中。在90℃烘箱中反应2h后取出，刮去反面及侧面的生成物，便得到在FTO导电面生长出来的一层ZnO纳米棒阵列薄膜。3变量控制与讨论3.1反应溶液中氯化锌浓度的影响用不同氯化锌浓度(0.02，0.05，0.1，0.2molL-1)的反应溶液生长ZnO基底,研究溶液浓度对生长的ZnO阵列及催化活性的影响。3.2溶液pH值的影响在氯化锌浓度为0.1molL-1时，使溶液pH值分别为10.0、10.2、10.5和10.6，研究溶液pH对生长的ZnO阵列及催化活性的影响。3.3反应时间的影响在氯化锌浓度为0.1molL-1，溶液pH值约为10.4时，使得在95℃烘箱中反应时间为1h和2h，探讨反应时间对生长的ZnO阵列及催化活性的影响。4纳米ZnO形貌表征5ZnO光催化活性研究 去离子水配置10mgL-1和20mgL-1的甲基橙溶液作为降解对象以备用。置于可见光、室内紫外灯照射等不同条件下进行光催化降解实验，同时进行空白对照。在100ml的烧杯中加入30ml不同浓度甲基橙溶液，再加入不同变量下制得的纳米氧化锌基底，搅拌，置于黑暗环境下20min，以保证甲基橙溶液与纳米氧化锌达到吸附-脱附平衡，然后开启光源，定时取样，经离心分离后，用UV～2501PC紫外一可见吸收光谱仪测其吸光度，依据a=(1一A／A0)100％来计算降解率。用甲基橙的脱色率η(η=C/C0)表征样品的光催化活性，实验过程中未进行光照时，为避免灯光等干扰，及时将混合样品用黑色塑料袋包裹起来甲基橙溶液的脱色率按照以下公式计算：η=（A0-A）/A0*100%式中η：t时刻甲基橙溶液脱色率；A0：起始时刻甲基橙溶液的吸光度；A：t时刻甲基橙溶液的吸光度。（1）设置空白对照试验：配置2份甲基橙溶液，一份在无纳米氧化锌有光照的条件的条件下，测其吸光度；一份在加纳米氧化锌催化剂无光照的条件下，测其吸光度。（2）从开始时计时，每隔10分钟，分别记录下2份甲基橙溶液的吸光度,持续记录一小时。（3）分析记录的实验数据，说明纳米氧化锌催化剂和可见光对甲基橙的脱色的影响。

4. 参考文献

[1]h.huang,h.c.zhang,y.liu,z.ma,h.ming,h.t.li,z.h.kang,(pt-c60)@sio2nanocompositesforconvenientchemicalhydrogenstorage,j.mater.chem.,22,20153-20157,2012.

[2]z.s.li,t.yu,z.g.zou,j.h.ye,degradationinphotocatalyticactivityinducedbyhydrogen-relateddefectsinnano-linbo3material,appl.phys.lett.,88,071917,2006.

[3]z.g.zou,j.ye,k.sayamaandh.arakawa,directsplittingofwaterundervisiblelightirradiationwithanoxidesemiconductorphotocatalyst,nature,414,625,2001.

5. 计划与进度安排

1，2013-02-26～2013-03-20查阅文献，制定实验方案，完成开题报告。

2，2013-03-21～2013-04-14熟悉氧化锌研究的发展，掌握基本实验操作，并开始实验。

3，2013-04-15～2013-04-20总结前期工作，完成中期汇报。