环境化学实验纳米ZnO的制备及其光催化性能

摘 要： 本文设计了一个简单易行的纳米ZnO的合成及表征分析，运用XRD、红外、DRS等表征了其结构特征。以亚甲基蓝为模型化合物、高压汞灯为光源，探索了其光催化性能。通过实验可使学生初步了解纳米材料的基本知识、常用的表征分析方法，以及环境污染物降解处理方法。实验内容涵盖材料化学、环境化学、无机材料合成、仪器分析、光催化性能测试等方面。实验内容的设置有利于培养学生的探索能力和科研能力。

关键词： 环境化学 纳米ZnO 制备 光催化性能

环境化学实验是环境化学课程体系的重要部分，有利于培养学生动手能力和科研兴趣，具有不可或缺的独特作用。通过环境化学实验教学，一方面可以加深理论认识，培养创造性思维和能力，提高学生的综合素质，另一方面可指导学生将理论运用于实践、指导实践，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力。环境化学实验设计应反映新的科研成果，以提高学生的创新能力和科研能力。实验内容涉及化学、材料等交叉学科：材料、化学、环境、能源等，有助于拓宽学生的知识面。

光催化基于半导体材料在光激发下能够产生具有强还原性的光生电子和具有强氧化性的空穴的基本特性，固体光催化剂能吸收太阳光将水和生物质分解成氢气，也能将空气和水体环境中的有机污染物和无机污染物氧化或还原降解为无害物质，因此具有低能耗、绿色的特征，被认为是一种高级催化氧化还原技术［１］。目前，光催化技术已经在环境污染治理领域得到了重要应用，在氢能源开发方面也显示出广阔的发展前景。纳米ZnO是一种可以降解多种有机污染物的纳米级催化剂，特别是在水质处理、有机物分解、农药降解等方面具有重要的应用［2］。特别在环境领域，由于纳米ZnO具有无毒性、光催化活性高、无二次污染等特点，已经成为新兴高效的环保材料。

本文以硝酸锌、三氟乙酸钠为反应物，在900℃温度下制备了氧化锌催化剂。利用现代测试方法如XRD、DRS、FT-IR等手段对催化剂的结构进行表征，并探讨了纳米粒子在紫外光照射下降解有机染料的活性，为有效源头控制有机染料提供了合适的方法。

1.实验部分

1.1试剂和仪器

利斯仪器有限公司）；Avatar360型FI-IR 光谱仪（美国Nicolet 公司）；紫外可见分光光度计（岛津 UV-2450）；X射线粉末衍射仪（D/max2500PC）。

1.2光催化剂的表征分析

X―射线衍射分析在D/max2500PC型X射线衍射仪上进行，Cu靶线，射线管电压40KV，电流40mA；样品的紫外―可见上测定，采用KBr压片。

1.3光催化降解实验方法

以亚甲基蓝（MB）为污染物研究合成材料的光催化活性，实验过程如下：准确称取0.05g的ZnO光催化剂，放入Pyrex反应瓶中，加入100 ml亚甲基蓝溶液，移至光化学反应仪中，在暗反应条件下，磁力搅拌30分钟，使固液界面达到吸附平衡（此时测得的吸光度值为起始值）。温度控制在30℃，并设定空气流量。随后开启光源（紫外光：2×125W汞灯），在一定时间间隔，取5 mL反应液离心数分钟后，取其上清液，用紫外―可见分光光度计在波长664nm处测定MB溶液的吸光度。根据朗伯―比尔定律，溶液的吸光度与浓度成正比。因此可用吸光度代替浓度计2.结果与讨论

经过XRD、IR、DRS表征发现，合成的为高结晶度的纳米ZnO粉体。光催化活性考察表明合成的纳米ZnO具有较高的光催化降解活性。

学生在本实验过程中可以学习纳米ZnO光催化剂的一种水热处理和高温煅烧合成方法，巩固掌握固体称量、液体量取、催化剂洗涤等基本操作，并学习紫外可见分光光度计、红外光谱和DRS的使用和操作方法。学习标准曲线建立的方法。建议用于学生实验的纳米ZnO光催化剂合成最佳条件为:900℃温度煅烧。当催化剂用量为0.5g・l-1，MB初始浓度为10mg・l-1时，对亚甲基蓝染料降解的效果最佳，1h后MB降解率为91％。

光催化技术已经在环境难降解污染物、光解水、光催化杀菌、抗菌等环境保护、卫生保健、清洁能源领域得到了广泛应用。ZnO半导体光催化剂是目前应用较为广泛的环境和能源保护功能性材料之一。本实验可以让学生了解环境污染物控制的新方法，使学生在学习环境化学基础知识的同时，提高环境保护意识，增强环保责任感。

参考文献：

［1］Malato S，Vidal J B A，Richter C.Photocatalysis with solar energy at a pilot-plant scale：an overview［J］.Appl.Catal.B：EnViron.，2002，37:1-15.

［2］Xu F，Zhang P，Navrotsky A，Yuan Z Y，Ren T Z，Halasa M，Su B L.Hierarchically assembled porous ZnO nanoparticles：Synthesis，surface energy，and photocatalytic activity［J］.Chem.Materi.，2007，19：5680-5686.

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