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纳米ZnO光催化降解有机物研究进展

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第3卷第5期 2006年10月 纳米材料与应用 Nanomaterial&Application VolI3 No.5 October 2006 纳米ZnO光催化降解有机物研究进展 潘吉浪 , 尹荔松 , 高松华 , 向成承 , 李 婷 , 范海陆’, 闻立时 (1.中南大学物理科学与技术学院, 湖南 长沙(2.中科院金属研究所, 辽宁410083) 沈阳 110016) 摘要:简述了纳米ZnO的光催化机理、提高光催化性能的方法和影响光催化性能的环境因素;介 绍了电场、微波等场耦合新型增效、助效技术的研究进展;并对未来的研究方向和工作重点提出了 一些设想。 关键词:光催化;纳米氧化锌;场耦合 The Development of Organic Compound Ph0t0degraded by Nano-ZnO PAN Ji—lang 。 YIN Li-song , GAO Song—hua ,XIANG Cheng—cheng , LI Ting . FAN Hai—lu 。 WEN Li—shi ’ (1.School of Physics Science and Technology,Central South University, Changsha 410083,China) (2.The Institute of Metal Research Chinese Academy of Science,Shenyang 1 10016,China) Abstract:The principle of nano—ZnO photocatalysis oxidation technology,the ways of improving photocatalytic performance and influencing factors of environment are discussed.Then the development of some novel catalysis— enhanced or catalysis—assisted technologies such as electric field effect.microwave effect are introduced.In addition, some recommendations on the future research O1。ientation and emphases in the nano-ZnO photocatalysis oxidation technology are presented. Keywords:photocatalysis;nano-ZnO;field coupling equation 中图分类号:0641.3 文献标识码:A 文章编号:1812—1918(2006)05—0018-04 0 引言 环境保护这一当今世界课题,已越来越引起 世界各国人们的重视。近几年来,利用半导体材料 做催化剂.光催化氧化处理有机污染物己经成为 研究的热点。 ZnO是一种具有许多卓越性能的新型宽禁带 无毒、成本低等优点.被广泛应用于光催化[1】[21。它 可以通过光辅助催化作用破坏各种有机污染物; 能将难降解的有机物最终氧化为CO:和H:0等无 机物:能氧化去除水中几乎所有的有机污染物,包 括其它水处理技术很难除去的三氯甲烷、四氯化 碳和三氯乙烯等小分子有机物;导带上的电子具 有适中的还原能力.能将水中的重金属离子还原, 而不会去除水中对人体有益的矿物质元素;同时, 光催化还具有比紫外线更强的杀菌能力,对解决 Ff益严重的有机染料污染提供了有效的处理方法 II—VI族化合物半导体材料.禁带宽度约为 3.3eV.是目前被广泛研究的新型环保材料,因其 收稿日期:2006—05—31 18 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 2006年l0月 [3I41。纳米科技 No.5 0ctober 2006 Nanoseienee&Nanotechnology 本文结合最近几年纳米ZnO在光催化领域的 子一空穴快速复合,另一方面会影响半导体材料对 光的利用。 研究情况,就纳米ZnO的光催化性能及影响光催 化性能的若干因素予以综述,并对存在的问题和 未来的发展动向进行简要分析。 2.2 金属离子掺杂 金属离子掺杂能够降低电子一空穴的复合速 1 纳米ZnO的光催化机理 半导体粒子光催化的原理[51嘲被认为是,光照 率,扩展光谱响应范围。赵春等[ 01用s0l—gel法在 ZnO中掺入Cu,结果在480~650 nm的较宽范围 内出现反射率下降的现象,说明Cu的掺杂可在半 射使半导体粒子价带上的电子被激发到导带,形 导体禁带内嵌入提供和接受激发电子的金属带, 成电子一宅穴对,电子具有强还原性,空穴具有强 氧化性,光致电子和空穴与催化剂表面吸附的化 合物发生氧化还原反应。当纳米ZnO处于水溶液 中时,h 可以把ZnO表面吸附的OH~、H O分子氧 化生成羟基自由基・OH.缔合在ZnO表面的・OH 为强氧化剂,可以氧化相邻的有机物,而且可以扩 散到液相中氧化有机物,把各种有机物通过一系 列的氧化过程,最终氧化成CO 和H O,从而完成 对有机物的降解。因此,在ZnO光催化反应过程 中,空穴与・OH都是主要氧化剂,而在空穴与・OH 哪个对光催化反应的贡献更大这个问题上.一直 存在着比较大的争议。电子自旋共振fESR)的检测 结果表明:・OH在光催化氧化中起主要作用l71:而 Ishibashi等阀通过对・OH与空穴量子产率的测算 比较则认为h 的作用更为重要:Assabane等[9]则 更倾向于I1+与・OH共同竞争作用的观点。综合而 论,h 或・OH主导地位的确定似乎与许多因素有 关.如降解对象、反应条件f如pH)等。 2 提高ZnO光催化性能的方法 2.1 表面贵金属沉积 光催化作用机理表明.在半导体ZnO表面担 载Ag、Pt、Pd、Nb等贵金属元素,一方面光催化体 系中引入贵金属后,贵金属作为光生电子的接收 器,可促进复合系统界面的载流子输运,使光生电 子fe~)在金属表面积累,而空穴(h )贝0留在ZnO表 面,有效地减少了电子一空穴对复合率,使更多空 穴参与氧化反应,可极大提高光催化剂反应活性: 另一方面可改变半导体的能带结构.更有利于吸 收低能量光子,以增加光源的利用率。但是.在实 验中,应该严格控制贵金属的沉积量,过多的贵金 属沉积量一方面会因为沉积点的密集分布造成电 从而使半导体的吸光范围向可见光波段扩展。 2-3 半导体复合 半导体复合利用两种半导体材料之间的能级 差有效分离电荷,扩展光频谱响应范围。常见的半 导体复合材料有氧系半导体(TiO 、SnO 、WO,等) 和硫系半导体(CdS、PbS等1。目前,半导体复合研 究正在由体相复合向表面复合,由二元复合向多 元负载化复合方向发展。牟柏林等[11】利用天然沸 石负载ZnO/SnO 复合半导备光催化材料对 甲基橙进行降解,结果显示,光催化活性较单一半 导体光催化活性有明显提高。 2_4 非金属掺杂 目前.纳米ZnO光催化剂的非金属掺杂主要 限于氮的掺杂。Li等[ 21在考察氮掺杂的ZnO光催 化剂时发现,虽然掺杂量太/1,(o.05wt%1无法减小 ZnO的带隙,但氮掺杂可以引起ZnO晶格缺陷,少 量的氮掺杂即可使ZnO发生可见光响应。氮掺杂 可以在ZnO能带结构的价带与导带问形成缺陷能 量状态,而且缺陷能量状态在ZnO能带结构的价 带附近。氮掺杂后可以利用能量较低的可见光激 发电子,由价带分两步传输到导带,从而使电荷分 离,实现可见光响应。最近,Li等[ 31报道了用高温 溅射分解法制备含氮ZnO复合粉末,通过控制温 度、掺杂量(0.05wt%一0.3wt%)制得具有可见光光催 化活性的光催化剂。用喷雾高温分解法制备的氮 掺杂氧化锌粉体不仅可以吸收紫外光.还可以吸 收部分波长小于650 nm的可见光.降解乙醛实验 表明,氮掺杂可以大大提高ZnO的可见光光催化 活性.但并没有显著提高其紫外光光催化活性。 2.5 离子注入 离子注入是将高能量的束流离子以高速射入 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3卷第5期 2006年10月 纳朱精料与虚融 Nanomaterial&Application V01.3 No.5 October 2006 固体材料表面,通过离子与材料表面的相互作用 而改变材料表面的物理、化学和机械性能。离子注 入可大大改善材料的耐磨、耐腐蚀及抗高温氧化 等性能。Kiriakidou等【 研究了掺杂离子化合价对 光催化活性的影响。结果表明,高价离子(如V、 Cr)掺杂,将使费米能级向上漂移,表面势垒变高, 空间电荷区变窄,光生电子和光生空穴在强电场 作用下得到有效分离,从而增强了光催化活性。 3 影响ZnO光催化性能的环境因素 3.1 光强 适度增大入射光强度(,0)可以提高光催化反 应速率,从而提高整个系统的光催化效率。高俊敏 等【15J通过改变光源和反应器的问距,调节反应中 的光强,研究了TiOJZnO复合半导体光催化降解 四环素的降解率与光强之问的关系,表明在高光 强范围内,光强对四环素光催化降解的影响显著; A.Akyol等 通过改变紫外灯功率来改变光强,表 明TOC(总有机碳)的去除率与光强不成线性关 系,可能成四次方关系。 3.2 pH值 pH值的变化对不同反应物光催化氧化过程 的影响不同,其原因是复杂的。胡春等 通过ZnO 光催化降解苯胺的实验发现,ZnO粒子在水溶液 中对H:O、H 和OH一的吸附存在一个动态平衡,溶 液的pH直接影响了ZnO对这些物种的吸附状 态,从而影响了光催化速率。pH的变化还可影响 有机物降解的存在形态,改变降解途径。 3_3 辅助氧化剂 辅助氧化剂的引人是一个比较重要的环境 影响因素,可能从以下几个方面来影响光催化反 应[ 81:作为电子捕获剂,被捕获的电子比自由电子 稳定;在光照条件下,引入的氧化剂能将有机物部 分氧化,部分氧化后的产物更易降解。但是,辅助 氧化剂(比如氧气)的加入量应该严格控制,微量 的氧气可吸附在ZnO表面,然后捕获导带电子形 成过氧自由基,从而使得电子一空穴对复合的几率 大大减少,促进了光催化降解的进行;而当通入过 量氧气时,O:在ZnO表面的吸附已趋于饱和。不 能把通入的O 完全吸附,最终达到吸附平衡。近 年来,人们一直在寻找比O 更有效的辅助氧化剂, 研究表明,H O 比O 更易于接收电子,同时参与・ OH的生成,而本身也是一种均相光催化剂,因而 它与光催化剂产生的协同作用使催化降解效果显 著增强。但Wang等【 9]认为,添加H O 所得到的增 效仅仅是本身的催化作用与TiO:催化作用的加 和结果,而并非两者的协同效应。此外,另有研究 表明i2ojI川,O,和Fe 也可作为辅助氧化剂使用。 4 场耦合光催化技术 通过加外电场,给催化剂薄膜电极加偏压等 方法,使电子一空穴对实现有效分离,能不同程度 地提高光催化效率。此法目前在TiO 光催化剂上 已有一定的研究,Waldner等㈤对4一氯酚进行电 助光催化降解时发现,降解速率随处理物质初始 浓度的增加而线性增加,符合一级动力学规律; Byrne等㈣对3.18x10—3mol・L 和6.36xl0-3otol・oL 的甲酸进行电助光催化降解发现,甲酸的降解符 合零级动力学规律。 另外,通过微波和光催化联合使用可以明显 提高光催化效果,但是对微波强化光催化氧化的 机理了解尚不够清楚。研究表明,微波强化光催化 反应可能有如下原因:抑制催化剂表面电子一空穴 对的复合【24】闭;促进催化剂表面・OH的生成:增强 催化剂表面的光吸收。目前,微波强化光催化研究 都集中在TiO 光催化剂上。 场耦合催化技术研究刚刚起步,关于其对 ZnO光催化剂催化性能的影响还需进一步研究。 5 存在的主要问题及展望 目前,有关以ZnO为基础物质的可见光光催 化剂体系的研究不是很多,归纳其报道有:MO 一 ZnO复合物(M=Fe、W、V、Cr、Cd等过渡金属1、含氮 氧化锌、金属离子掺杂氧化锌体系,其中含氮复合 半导体的研究颇有前景:另外,目前对氧化锌光催 化剂的研究大多处于纳米粉体的研究,而对氧化 锌薄膜形式的光催化研究相对较少,且对光催化 降解有机物的中间过程缺乏鉴定,反应机理尚不 十分清楚;对新型助催化技术的研究也较少。因 此,对纳米ZnO光催化剂的改性,光催化活性的研 究,新型助催化技术的应用及其对有毒难降解的 有机物的降解机理的研究,不仅对于研究开发新 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 2006年10月 … 型高效的光催化反应器具有很重要的实际意义. 而且能将该新技术应用于污水处理和空气净化。 对于保护环境、实现可持续发展也具有重要的现 实意义。 参考文献 KANG Huimin,KANG Xihu.The Investigation on Pho— tocatalytic Treatment of Waste Water Containing Phenol Over ZnO[J].Transactions of Tianjin University,1996, l1(2):2. № 井立强.ZnO超微粒子的量子尺寸效应和光催化性能 [J].哈尔滨工业大学学报,2001,33(3). 纳 CastilMa,Silleta,Roussyj,et a1.Treatment of High Or— 米 ganic Loaded Industrial Eflfuents Rivera fJ].Water Sci— 科 ence and Technology,2000,l1:1 15-1 1 8. Hoffmann M R,Martin S T,Bahnemann D W.Environ— 技 mental Application of Semiconductor Photocatalysis[J] .Chem.Rev.,1995,95:69—96. 张金龙.光催化[M].上海:华东理工大学出版社, 2004,145—152. Michael R.Hoffmann,Scot T.Martin,Wonyong Choi, and Detlef W.Bahnemann.Environmental Applications of Semiconductor Photocatlaysis[J].J.Chem.Rev.1995. 95.69—96. Okazaki M,Takeshi S,Shigera S et a1.Isotope Enrich— ment by Electron Spin Resonance Transition of the In— termedediate Radical Pair[J].Phys.Chem.,1988,92(6): 1402. Ishibashi K I,Fujishima A,Watanabe T,et a1.Quan— turn Yields of Active Oxidative Species Formed on TiO2 Photocatlayst fJ】.J.Photochem.Photobio.A:Chem., 2000.134:139. Assabane A.Yahia A I.Tahiri H et a1.Photocatalytic Degradation of Polycarboxylic Benzoic Acids in UV——ir.. radiated Aqueous Suspensions of Titania.:Identification of Intermediates and Reaction Pathway of the Photomin— eralization of Trimellitic Acid f1,2,4一benzene Tricar— boxylic Acid)[J].App1.Cata1.B:Environ.,2000,24:7 1. 赵春,钟顺和.Cu/ZnO—TiO2复合半导体光催化材料 的制备与表征fJ].无机化学学报,2004,20(9). 牟柏林.天然沸石负载ZnO/Sn02复合半导体的光催 化活 ti[J].硅酸盐学报,2005,33(11). Li D.Haneda H.Photocatalysis of Sprayed Nitrogen- containing Fe203一ZnO and WO3—ZnO Composite Pow— ders in Gas—phase Acetladehyde Decomposition[J].J Photoc hem Photobio.A:Chemistry,2003,160(3): 203-2】2. No.5 October 2006 [13] Li D,Saito N,Ohashi N,et a1.The 3rd Asia—Paciifc Congress on Catalysis[C].Dalian:Dalian Institute of Chemical Physics Press,2003,589-590. [14] Kiriakidou F,Kondarides D I,Verykios X E.The Ef- fect of Operational Parameters and TiO2-doping on the Photocatalytic Degradation of Azo-dyes[J].Catal To— day,1999,54(1):119. [15] 高俊敏等.TiO・JZnO光催化降解四环素的研究fJ].重 庆环境科学,2003,25(1). 【16] A.Akyol,M.Bayramoglu.Photocatalytic Degradation of Remazol Red F3B Using ZnO Catalyst[J].J.Hazardous Materilas B:124,2005,241-246. 【17】 胡春.ZnO催化剂对苯胺光降解的研究【J].环境科学 学报,1998,18(1). [18] Hoffmann,M R,et a1.Photocatalytic Oxidation of Or— ganic Acids on Quantum—sized Semiconductor Colloids fJJ.Environ.Sci.Techno1.1994,28(4):786. [19】 Zhang Z,Wang C C,Zakaria R,et a1.Role of.Particle Size in Nanocyrstalline TiO 2-based Photocatlaysts fJ] .J.Phys.Chem.,1998,102:10871. f20] 张海燕,王宝辉,陈颖.光催化氧化处理含油污水的研 究[J].化工进展,2003,22(1):67. I 21] 李来胜,祝万鹏,张彭义,等.TiO 薄膜光催化臭氧化 邻苯二酚[J].催化学报,2003,24(3):163. I22] Waldner G,Pourmodjib M,Bauer R,et a1.Photoelec— trocatalytic Degradation of 4-chlorophenol and Oxalic Acid on Titanium Dioxide Electrodes fJ].Chemo— sphere,2003,50(8):989—998. 【23】 Byrne J A,Davidson A,Dunlop P S M,et a1.Wa— ter Treatment Using Nano—crystalline TiO2 Electrodes fJ].J.Photochem.Photobio1.A:Chem.,2002,148(1/ 3):365—374. 【24】 Horikoshi S,Hidaka H, Serpone N.Environmental Remediation by an Integrated Microwave/UV——illumi-- nation method.1.Microwave—assisted Degradation of Rhodamine—B dye in Aqueous TiO2 Dispersions fJ]. Environ.Sci.Techno1.,2002,36:1357—1366. [25] 李旦振,郑宜,付贤智.微波场助光催化氧化及其应用 【J].高等学校化学学报,2002,23(12):2351—2356. 李旦振,郑宜,付贤智.微波一光催化耦合效应及其机 理研究fJ1.物理化学学报,2002,18(4):332—335. 作者简介 潘吉浪(1982一),男,硕士研究生,目前主要研究方向: 氧化锌光催化薄膜材料。 尹荔松(1971一),男,教授,主要从事新材料研究工作。 

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