E组 Co2+离子的掺杂纳米ZnO光催化材料制备

1、Co2+离子的掺杂纳米ZnO光催化材料制备课程设计教学大纲课程编号：05414001课程总学时：1周课程总学分：1设计总学时：40面向专业：材料科学与工程本大纲主撰人：郑举功一、课程设计的任务和基本要求：（一） 课程设计的任务用湿化学方法，Co2+可以均匀取代纳米氧化锌的中Zn2+，1-xCoxO。其样品用X衍射，电子透射镜，能量色散X射线映射分析和紫外可见光吸收光谱进行表征。用罗丹明B降解作为探针反应来评价Co2+在ZnO纳米棒中的参杂效应和紫外光可见光照射下的光催化能的。（二） 课程设计基本要求1 掌握什么是ZnO光催化材料；2 掌握制备纳米Zn1-xCoxO的方法；3 完成课程设计报告二

2、、设计原理和依据： 半导体辅助光催化降解有机污染物解决了坏境问题14引起了很大的研究兴趣。许多半导体材料，包括ZnO和TiO2以具有优异的光敏感性、无毒、低成本、环境友好性能而作为光催化剂应用5, 6。然而，大多数半导体只吸收小于或者等于385nm的紫外光或可见光照射下才有这种光催化活性。波长在400-700nm可见光的的占太阳光能量的45%，然而紫外线在这个区间的占不到10% 7。因此，为了实际应用，通过扩大光谱吸收范围提高光催化效率是非常有必要的。根据固态物理理论，吸收光谱直接决定于结构和带隙能。为了有效提高半导体的光吸收性能和光催化活性，许多工作者通过掺杂金属和非金属离子修饰半导体的结构

3、813，在光催化活性方面产生了一些积极或消极的影响4，尽管近来研究取得显著进步，但是掺杂效应的性质和光催化性能还没有很好的解释14, 15。大家面临的问题是，掺杂物离子是位于格子表面还是在半导体格子中16，另外杂质离子是如何影响电子性质和改变电子对重组的13。显然，弄清楚光催化作用和掺杂效应之间的相互关系对于深入理解光催化机理是非常重要的。ZnO是直接带隙半导体，由于Co2+掺杂在ZnO中可以发生明显的带隙能红移，更重要的是，光吸收带可扩展到太阳能的可见光范围17，18，预期将加强可见光的光催化作用。据最近报道，因为两条Co2+宽价带转换发生在可见光能量范围内20，Co2+ 置换ZnO膜中对Z

4、n2+在可见光的照射下导致光电流的激增19。对于大多数半导体材料，电荷传输很大程度上是由固体的点阵参数决定的21，点阵参数与粒子尺寸和掺杂浓度有关。因此，为了精确地掌握掺杂效应对光催化性能的影响以及相关的机理，利用均相置换法合成Zn1-xCoxO纳米结构是非常重要的，然而这对我们来说仍具有挑战性。本研究通过湿法化学的方法制备了Zn1-xCoxO纳米棒，其中Co2+离子被均匀地包含在ZnO纳米晶体格子中。使用罗丹明B降解作为探测反应评价在紫外线照射和可视光照射的条件下，Co2+ 置换在Zn1-xCoxO纳米棒的光催化作用中的作用。研究发现，掺杂的Co2+ 使得ZnO晶格产生对电子和空穴俘获或复合

5、的作用。明显抑制了罗丹明B溶液在紫外线照射下的光降解。另外，Co2+离子增强了光学吸收并在可见光照下产生载流子。因此，ZnO纳米晶体格子中的Co2+离子的置换明显地改善了可见光的光催化作用。2 实验2.1 药品与试剂2.2 样品制备Zn1-xCoxO纳米棒的合成描述如下：将的Zn(Ac)2.2H2O和给定数量的Co(Ac)2.4H2O加入到100ml乙醇溶液中，组成成摩尔浓度由015%的Co(Ac)2.4H2O的悬浮液。将50mL浓度为1M NaOH 溶解于乙醇中的溶液，在室温磁性搅拌与上述悬浮液混合。将这种混合物转移到10支25ml 聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在120oC反应2小时，反

6、应釜自然冷却到室温，抽滤得到最后产物。用水清洗数次，在空气中干燥至环境温度。2.3 Zn1-xCoxO样品表征室温下应用Rigaku2000仪器（CuK射线）测试Zn1-xCoxO样品的X射线衍射（XRD）数据，镍作为确定峰值的位置的内部标准。样品的点阵参数用最小二乘法计算。样品的形貌和结构以200kV的加速电压用JEM-2010透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究。样品的化学组成用X射线能量分散光谱分析法（EDX）检测。用Lambala900uv/vis紫外可见分光光度计获得样品的光吸收光谱。YEBCA-LABMKII X射线光电分光计以采用ESCA-LAB MK

7、 II型光电子能谱分析仪（VGCo. Al K射线，压力为5 10-9Pa）以 X射线光电子能谱分析 （XPS）方法确定样品中Co离子的价态，C1s信号用来纠正样品表面的电荷作用。2.4 光催化活性测试若丹明，一种常见的着色剂（RhB），作为鉴定分子评价Zn1-xCoxO纳米粉体在紫外线和可见光照射下光催化活性。实验步骤如下：80mg Zn1-xCoxO粉体分散在100mL浓度为10-5M 含水RhB水溶液中，首先在黑暗中磁力搅拌的悬浮液12小时，以确保RhB在Zn1-xCoxO纳米粉体表面达到吸收平衡，然后用4支6瓦的紫外等管（Philips. =365nm）照射悬浮液，继续磁力搅拌悬浮液以

8、确保实验全过程粒子充满确悬浮液中。为比较实验结果，RhB在可见光下照射下的上述过程同样展开，把一个300瓦的卤光灯放置在有循环水的圆柱形玻璃器皿中作为可见光源，同时，在水循环夹套外面安装一个选择性过滤器除去消除波长在420nm以下的射线，以此确保有可见光照射。在给定间隔抽取3ml悬浮液并在转速9000rpm离心15min，用Perkin-Elmer UV WinLab Lambda 35 分光光度计测量上层清液然后的紫外吸收光谱。3 工艺流程4 结论和问题探讨这项工作介绍了高结晶Zn1-xCoxO纳米棒的制备及其光催化性能。Co2+同质替代ZnO中的Zn2+，纳米棒的形状和尺寸都没发生改变，但是产生明显的带隙能红移，可见光范围内明显吸收带。随着Co含量的增加，由于晶格膨胀，Co2+的3d电子晶