纳米氧化锌光催化降解性能影响因素研究进展

胡旭昊， 姜妲 ，程浩，韦云耀，安福智

沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110136

摘要：纳米氧化锌因为纳米材料本身独特的效应，使其有着独特的物理和化学性能，在日益重视环境的现在来说，纳米氧化锌的光催化降解性能越来越使人重视，本文对纳米氧化锌光催化降解性能的研究进行综述。

关键词：纳米氧化锌 光催化 性能 影响

1引言

近年来随着社会科技的不断发展，社会污染也越来越严重，一些污染物自然降解较慢，随着人们的深入研究发现作为半导体的氧化锌因其独特的物理和化学性能，可使污染物在光催化下分解，自半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。

作为一种重要的光催化剂，纳米氧化锌有着比块体氧化锌更强的光催化能力。一方面，这是因为量子尺寸效应会使半导体能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正，从而使纳米氧化锌获得了更强的氧化还原能力；另一方面，纳米氧化锌有比块体氧化锌大得多的比表面积，高比表面积使得纳米材料具有强大的吸附污染物的能力，这对提高催化反应的速度是十分有利的。^[1]

2纳米氧化锌的光催化性能影响因素

2.1形貌对光催化性能的的影响

纳米氧化锌的制备技术决定了纳米氧化锌的微观形貌，进一步决定了其不同的光催化性能，纳米氧化锌的主要形貌有花状、棒状、片状、颗粒状等其他特殊结构。

周小岩等^[2制备出三种不同形貌的纳米ZnO粉体，分别为纺锤状，棒状和片状。纺锤状和棒状显露的（001）晶面相对非极性面其面积很小。片状ZnO显露的（001）晶面相对非极性面其面积较大。因此3种相貌的ZnO样品显露（001）晶面的大小顺序依次是：片状＞棒状＞纺锤状，其光催化活性大小也是片状＞棒状＞纺锤状。经比较得出片状ZnO呈现出较高的光催化活性的结论。其原因是ZnO晶体显露极性面的面积相对非极性面越大,其光催化活性越高。

特殊形貌的纳米氧化锌也同样受到重视，余花娃等^[3]，以乙酸锌和氢氧化钾为原料合成纳米ZnO，该产物呈现形貌均一的海胆状结构。海胆状纳米ZnO由许多ZnO纳米针组成，它的分支多而密，使其具有更大的比表面积，从而提高了对有机物的吸附能力。在可见光照射下,海胆状纳米ZnO对亚甲基蓝溶液经多次降解循环降解仍表现出良好的光催化性能。

2.2 粒径尺寸对光催化性能的的影响

目前对纳米氧化锌光催化性能的影响不仅在形貌上，产品的粒径大小的不同，导致产品的有效表面积不同对材料光催化性能也存在着影响。

吕晓猛等^[4]通过改变无水乙醇和水的体积比,制备出形貌较好的颗粒状、六棱柱状和花状的纳米ZnO颗粒。通过研究得到它们随着乙醇用量的增大，ZnO由直径为2-5um的花状变成直径为100-400nm的六棱柱状，再变成直径在100-200nm的颗粒状。并且在紫外光谱下对低浓度偏二甲肼废水的光降解, 3种不同形貌的纳米ZnO颗粒随着颗粒尺寸的增大,其吸收强度减弱。

况怡等人^[5]合成不同尺寸纳米氧化锌。通过对比不同的反应时间、反应温度及反应物浓度和反应物配比分别得出，中位径为最小3.36um、2.20um以及3.14um。对纳米氧化锌的形貌及其光催化性能进行研究，得出形貌由球状向柱状发展，光催化性能总体不断减弱的结论。

不同粒径大小和形貌的纳米氧化锌对于光催化性能有着不同的影响，使得我们对纳米氧化锌的探索有更多可能性。

2.3离子掺杂的影响

氧化锌纳米级粒子存在分散不均匀、难固定等缺点，并且自身电子和空穴对容易复合，光量子效率较低，导致其光催化降解效率较低，但通过掺杂可以很好的弥补材料本身的这些缺陷。目前常用的掺杂元素主要有掺杂铁、钴、铈和镧等。

刘翠萍^[6]，李洪杰^[7]，李亚林^[8]等人制作出掺铁纳米氧化锌产物，并与无掺杂的纳米氧化锌产物进行光催化降解性能试验。实验表明：Fe³⁺进入ZnO表面取代锌离子位置,导致铁掺杂前后ZnO结构没有变化。随着铁的掺入,ZnO粉末的粒径逐渐变小，导致纳米氧化锌的光催化降解性能得到增加。掺杂量在一定范围内光催化效率最高。

纳米氧化锌除了与铁掺杂还可与稀有金属离子进行掺杂。钟伟等人^[9]制备了一系列Ce掺杂的纳米ZnO。实验对这一系列Ce掺杂的 ZnO进行了光催化降解亚甲基蓝的性能研究,得出当Ce的掺杂量为3%(n/n)时,其光催化活性最佳。所以选取ZnO-3%Ce作为催化剂，分别进一步考察其在日光和紫外光下对有机染料的光催化降解性能和催化剂ZnO-3%Ce的稳定性性能。研究结果表明,ZnO-3%Ce具有优异的光催化性和稳定性,在光催化降解有机染料方面有良好的应用前景。

2.4其他的影响

纳米氧化锌除了上述的形貌粒度以及掺杂改性的对光催化性的影响外，纳米氧化锌的用量以及光照时间与催化性能成正比。在一定范围内也随着溶液温度的升高纳米氧化锌的催化性能也逐渐增大。同时试验染料的浓度和种类以及光源等对纳米氧化锌的光催化性能也存在着一定的影响

^[10]。

3结语

纳米光催化材料可以在紫外光的照射下通过把光能转化为化学能而使化合物（有机物和无机物）分解。在保护环境上可能起着重要的作用。但通过总结我们发现其中还是存在这许多问题比如掺杂的比例和如何更好控制晶体生长，对其深入研究将会发现其多的应用价值，对社会生活有着重要的影响。

参考文献

[1]滕洪辉,徐淑坤,王猛.微乳液法合成不同维度氧化锌纳米材料及其光催化活性[J].无机材料学报,2010,25(10):1034-1040.

[2]周小岩,于建平,刘彦民,周鹏威,任汝飞.不同形貌纳米ZnO的光催化性能研究[J].化工科技,2014,22(01):7-11.

[3]余花娃,王晶,王安祥.PVP对氧化锌纳米结构及光催化性能的影响[J].西安工程大学学报,2020,34(06):47-51.

[4]吕晓猛,贾瑛,刘田田,张淑娟.可控形貌纳米ZnO制备及光催化应用研究[J].应用化工,2012,41(04):659-663.

[5]况怡,李军,金央,陈明,左龙涛.液相合成纳米氧化锌及其光催化性能探讨[J].无机盐工业,2019,51(09):40-44.

[6]刘翠萍.掺铁纳米氧化锌的制备及其光催化性能[J].材料科学与工程学报,2010,28(04):605-608.

[7]李洪杰,杨凤珠,柳闽生,潘洁.铁掺杂氧化锌纳米晶的制备及光催化性能研究[J].化工时刊,2009,23(08):16-19.

[8]李亚林,罗平,黄渝,傅敏,智芳芳.掺铁纳米氧化锌的制备及其光催化性能的研究[J].西南大学学报(自然科学版),2010,32(09):44-49.

[9]钟伟,夏颖帆,翟杭玲,高越,李世慧,吕春欣.共沉淀法制备稀土Ce掺杂的纳米ZnO及其光催化降解染料的性能[J].无机化学学报,2020,36(01):40-52.

[10]吕林林. 纳米氧化锌的制备、掺杂及性能研究[D].中南大学,2009.

基金项目：2020年大学生创新创业项目（课题编号：202010143218）

作者简介:胡旭昊（1997.08-），男，满族，辽宁丹东人，沈阳航空航天大学本科生在读，研究方向：纳米材料的制备合成；

通讯作者：姜妲（1978.10-），女，汉族，吉林图们人，博士，副教授，研究方向:纳米材料和功能材料。