纳米ZnO材料制备及其光电化学性能研究

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氧化锌(ZnO)是一种重要的多功能半导体材料,具有良好的光、电性能,在光电催化、太阳能电池、传感器、纳米发电机等方面具有广阔的应用前景。纳米ZnO由于粒径小、比表面积大而具有良好的光电催化性能,能够降解难分解的有机污染物。近年来随着人们环保意识的增强及日益严重的污染问题,科研工作者将极大的精力投放到环保材料的研究上。纳米ZnO材料的研究尤为引人关注,它具有高效、无毒、价格低廉等优点,在环境治理与保护方面很有潜力。本文应用电化学沉积的方法制备了形貌可控的纳米ZnO,并研究了纳米ZnO的光电催化性能。采用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射仪(XRD),紫外-可见分光光度计等测试手段对样品进行了表征和分析。采用电化学沉积法以硝酸锌和六亚甲基四胺为电解液在ITO衬底上制备了ZnO纳米柱阵列。电沉积ZnO过程的循环伏安曲线表明,制备ZnO的沉积电位范围为-0.8-1.2V,最佳沉积电位为-1V。在-0.8-1.0V的不同沉积电位条件下,随着沉积电位的升高,纳米柱密度增加,平均直径由260nm增加到320nm。采用溶胶凝胶提拉法生长种子层,能够显著增大纳米ZnO的比表面积,使其密度增大且尺寸减小,平均直径仅为37nm。增大硝酸锌电解液的浓度能够增大纳米ZnO的比表面积,XRD结果显示纳米ZnO沿c轴择优取向性也逐渐增加。添加不同种类及浓度的支持电解液,能够显著改变ZnO的形貌,KNO3能够促进ZnO长大,C6H12N4可以促进ZnO柱状生长,KCl会抑制ZnO沿极性面的生长速率,Na2SO4使得ZnO呈薄片状结构生长。为了考察形貌对纳米ZnO光电催化性能的影响,在硝酸锌电解液中分别添加KNO3、C6H12N4、KCl、Na2SO4四种支持电解质,获得了不同形貌的纳米ZnO,将其作为阳极催化剂,外加1V电压光电催化降解10mg/L的甲基橙溶液。结果显示,添加C6H12N4获得的纳米棒和添加Na2SO4获得的片状结构的ZnO,光电催化降解性能较好,反应2小时后,甲基橙溶液的降解率超过92%。这两种结构的ZnO具有较大的比表面积且纳米ZnO之间相互交错形成很多网格空隙,有利于甲基橙的吸附,使得降解率较高。另外,片状结构的ZnO正好将其两个极性面与污染物接触,有利于污染物与催化剂表面的电荷交换,从而增强ZnO的催化活性。
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