浅析新型纳米半导体包覆材料的制备及其光催化性能

摘 要：文章首先以氧化锌为例介绍了新型半导体包裹材料的性能并分析了半导体光催化技术的催化机理、特点，然后阐述了氧化锌纳米半导体材料包覆材料的两种制备方法，最后通过实验分析的形式研究了氧化锌纳米半导体材料包覆材料的光催化性能。

关键词：新型纳米半导体 制备 实验 光催化技术

中图分类号：O643 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0001-02

随着新型材料的不断涌现，各生产、加工行业对其各项性能的关注程度也大大提升，其中针对半导体材料光催化性能的研究也越来越多。氧化锌作为光催化剂有着价格实惠、无毒、高效等优点，虽然其催化机理与氧化钛相似，但是氧化锌光催化剂的吸光效率更好，因此有可能会成为取代氧化钛的新型光催光剂。

氧化锌自然条件下，氧化锌主要以纤锌矿的结构形式存在，其光电性能、电磁波吸收能力以及热稳定性都非常好，在压电传感器、紫外光发射器、显示器、导电薄膜、表面波吸收以及太阳能电池等方面都有着非常广泛的应用，是一种应用潜力很大的新型半导体材料。在对太阳能开发力度不断加大的未来，半导体材料的发展空间更大。

1 半导体光催化的机理、特点

1.1 半导体光催化的机理

在半导体中，未被占的高能导带以及被占的低能价带组成了其能带结构，由于价带和导带处于分离状态，它们之间的能级距离就叫做带隙宽度。半导体的这种结构就是其光特性的基础，当与半导体带隙宽度匹配的光波照射半导体光催化剂时，价带电子就会吸收光的能量而发生跃迁，直接跨过能级距离跃迁到导带上去，价带就会因此出现空穴，引起光电子和空穴的竞争。当它们分离时，能够运动到半导体表面，能量匹配的电子就会被空穴捕获使得空穴具有强氧化性，而电子本身就具有较强的还原性，因此半导体内部就产生了电子对。

1.2 半导体光催化的特点

首先，半导体所使用的光催化剂的污染小，并且没有毒性，催化效率高；其次，半导体光催化几乎没有选择性，因此适用范围较广，降解效率与除净度都比较高。在光催化过程中能将大部分有机污染物氧化，产生水、二氧化碳以及无机盐等无害物质；再次，半导体的光催化反应一般在室温条件下进行，条件温和并且操作简单；最后，半导体光催化技术除了可以利用紫外光，也可以利用太阳光进行反应。在太阳的照射下，半导体催化剂可以将太阳光吸收并转化为化学能或者电能，而由于太阳能取之不尽用之不竭的特点，半导体光催化技术的开发与应用也有了更加广阔的空间。

2 氧化锌纳米半导体材料包覆材料的制备方法

氧化锌纳米半导体材料的准备方法主要有两种，分别是草酸沉淀法和柠檬酸络合法。

（1）草酸沉淀法制备氧化锌纳米半导体材料。

将浓度为0.5 mol/L的硝酸锌溶液置于烧杯中，然后将锌离子与草酸物质量之比为1.0∶1.5的草酸溶液加入其中，产生白色沉淀以后继续搅拌2 h，然后对沉淀进行分离、洗涤以及干燥操作，并在500 ℃的温度下煅烧1 h，就可以得到氧化锌试样，将其记为试样A。

（2）柠檬酸络合法制备氧化锌纳米半导体材料。

将浓度为0.5 mol/L的硝酸锌溶液置于烧杯中，然后将锌离子与柠檬酸物质量之比为1.0∶1.5的柠檬酸溶液加入其中，然后再加入适量的乙二醇，搅拌溶液让其均匀分散，之后将其置于超声波中进行超声分散半个小时，形成均匀的溶胶，接着在80 ℃的恒温下让溶胶转变为凝胶。将凝胶状态的混合物置于100 ℃的烤箱中加热变成干凝胶，然后将其研碎，并在500 ℃的温度下煅烧一个小时，所得到的氧化锌试样记为B。

3 氧化锌纳米半导体材料包覆材料的光催化性能研究

纳米材料由于粒径非常小，因此空穴和电子从半导体内部跃迁到表面的时间更短，产生光电子流的速度就更快。此外，半导体材料的比表面积较大，因此催化剂的吸附性能会更好。因此猜测，纳米半导体材料具有非常好的光催化效果。以下通过实验的方法对其光催化性进行验证。

3.1 实验过程

为了研究氧化锌的光催化性能，我们还需要将其置于光催化反应器上进行实验。首先将15 mg氧化锌催化剂加入到50 ml质量浓度为20 mg/L的甲基橙溶液中，置于超声波中进行超声分散，15 min以后放到暗处搅拌大约10 min左右时间，让氧化锌催化剂与染料充分混合并达到吸附与脱附平衡。然后打开光催化反应器的高压泵灯，每间隔一定时间就取一次样。取来的试样首先进行离心，然后利用分光计测定其吸光度，在吸光度基础上计算甲基橙溶液的降解率。此外，为了突出实验效果，还需要进行一组仅有光照以及在暗处加入氧化锌催化剂的对比实验，并在溶液光催化降解以后进行可见光吸收光谱测试。

3.2 实验结果以及光催化性能分析

由图1、图2我们可以知道，没有光照时甲基橙的降解率非常低，也就说明在无光照条件下，氧化锌的催化性能比较差。在仅有光照的情况下，甲基橙几乎没有降解率，而在既有光照也有光催化剂的情况下，甲基橙的降解率明显升高。并且图中显示，光照时间为30 min时，试样A的甲基橙降低率在94.36%，而试样B的降解率则为81.75%。这说明氧化锌催化剂对甲基橙的降解作用属于光降解，并且催化活性非常好。草酸沉淀法制备得到的氧化锌颗粒由于粒径较小，并且中间部分空心，比表面积更大，因此光催化性能更好。

4 结语

在时代的发展以及科学技术的进步下，研究新型材料来满足人们不断上升的各种需求已经是一项非常重要的时代性课题。而随着能源危机的出现，世界各国均已开始投入对太阳能的开发与利用研究工作中。在这样的发展形势下，研究新型纳米半导体材料及其光催化性能对于缓解能源危机有着重要意义。氧化锌作为一种新型纳米半导体材料，有着非常多的应用优势，开发潜力非常大。其制备方法主要有草酸沉淀法以及柠檬酸络合法，通过实验我们知道，氧化锌催化剂的催化活性非常好，并且两种氧化锌半导体的制备方法中，草酸沉淀法不仅操作简单，催化效率也更好。

参考文献

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