试验设计优化Mn掺杂ZnO纳米催化剂的制备.docVIP

第 29 卷 第 6 期 2012 年 6 月 28 日 Vol.29, No.6 June 28, 2012 计算机与应用化学 Computers and Applied Chemistry 试验设计优化 Mn 掺杂 ZnO 纳米催化剂的制备 陶红艳，张运陶* (西华师范大学应用化学研究所，四川，南充，637002) 摘要：按 25 部分因子试验设计安排实验，以光催化降解甲基橙(MO)溶液脱色率 DC(%)为目标值，考察掺锰量 VMnNO3、熟化温 度 T1、熟化时间 t1、煅烧温度 T2 和煅烧时间 t2 对制备的 Mn 掺杂纳米 ZnO 光催化性能的影响，经分析确定影响产品光催化性能 的主要因素为 VMnNO3、T1 和 T2。以此 3 因素按 32 全因子试验设计进行实验并分析试验结果，获得 Mn 掺杂纳米 ZnO 光催化剂 的优化制备条件为 VMnNO3 = 0.5 mL、T1 = 70 ℃、t1 = 15 min、T2 = 600 ℃和 t2 = 2.5 h。0.05 g 优化制备产品在紫外光照射下光催 化降解 100 mL 10 mg/L 的 MO 溶液 30 min 的 DC 实验平均值为 95.58，与 Minitab 软件对产品的优化预测值 95.75 的相对误差 仅为-0.18%；在可见光下降解 MO 溶液 120 min 的 DC 实验平均值为 65.11。XRD 和 SEM 对优化产品的表征表明，其主要由粒 径分布在(20~30) nm 的不规则的颗粒状纳米 ZnO 组成。由紫外-可见分光光度计测定并计算得出优化产品的带隙能 Eg 约为 3.25 eV，较同等条件下制得的纳米 ZnO 带隙能 Eg(3.36 eV)低 0.11 eV。 关键词：Mn 掺杂；纳米 ZnO 光催化剂；25 部分因子试验设计；32 全因子试验设计；优化制备 中图分类号：O641 文献标识码：A 文章编号：1001-4160(2012)06-709-714 1 引言 纳米 ZnO 半导体光催化剂因其在处理废水方面具有 来源丰富，易操作，耗能低以及无二次污染等优点，在 目前半导体光催材料研究中备受关注，是一种新型环保 材料之一[1 - 8 ] 。提高纳米 ZnO 半导体光催化剂的光催化 效率，使其在可见光催化条件下即可发生对废水的光催 化降解，是纳米 ZnO 半导体光催剂能否投入实际应用的 关键。此前，已有研究发现掺杂 Mn 的纳米 ZnO 光催化 剂能通过形成电子捕获中心，有效地抑制电子-空穴对的 再结合，从而提高 ZnO 的光催化效率，同时也使 ZnO 的 带隙能变窄，使 ZnO 能在可见光条件下光催化处理污染 废水[9 - 1 0] 。为此，本文开展了 Mn 掺杂的 ZnO 纳米半导 体光催剂优化制备，及影响其光催化性能因素的研究。 本文首先按 25 部分因子试验设计[11 ] 安排一系列实 验，通过对实验结果的分析，找出全部影响因子中对实 验结果有显著影响的因子；再以有显著影响的因子为考 察对象，采用 32 全因子试验设计[11] 安排一系列实验，在 对实验结果分析的基础上，最后获得制取 Mn 掺杂 ZnO 纳米光催剂的优化制备条件，并用 XRD、SEM 等表征优 化制备产品的有关性质。研究结果表明，按本文思路优 化制备的 Mn 掺杂的 ZnO 纳米光催剂较相同条件下制得 的纳米 ZnO 光催化剂光催化效率明显提高，且在可见光 下也有较好的催化效果，本文的研究思路在提高半导体 光催化剂的光催化效率的研究中是一种值得借鉴的思 路。 2 2.1 实验部分 主要仪器和试剂 D/MAX Ultima IV X-射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD) ；Sirion200 场发射扫描电镜(FEI 公司)；UV-3600 紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)；SRJX-2-9 箱式电 阻炉(沈阳市电炉厂)；XMT 数显调节仪(沈阳兴沈电热设 备执照有限公司)；KXH-101-2A 恒温干燥箱(中国上海科 析试验仪器厂普瑞赛斯仪器有限公司制造)；DF-101S 集 热式恒温加热磁力搅拌器(河南巩义市予华仪器有限公 司)；85-1 型磁力搅拌器(上海梅颖仪器仪表制造有限公 司)；SDZ-D(3)循环水式真空泵(河南巩义市英峪予华仪 器厂)；ESJ180-4 电子天平(沈阳龙腾电子有限公司)； CH1015 型超级恒温槽(上海恒平科学仪器有限公司)；自 制的光催化玻璃夹套反应器；250W 高压汞灯(波长 350~ 450 nm, 江苏东海飞亚电光源有限公司)； 800 电动离心 机(江苏金坛市富华仪器有限公司)；500 W 氙灯；医用注 射器(5 mL)，Pentium4 计算机等。 ZnSO4·7H2O(分析