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煅烧温度对ZnO光催化活性的影响 　　摘要：本文以ZnC2O4?2H2O和(NH4)2CO3为原料，采用沉淀法合成前驱体Zn5(OH)6(CO3)2，将前驱体在不同的温度下进行煅烧，制备ZnO纳米粉体。通过XRD和TEM对产品进行了表征，研究氧化锌生长动力学表明，其动力学指数为1.0。以甲基橙为有机污染物考查了煅烧温度对ZnO光催化活性的影响。结果表明，ZnO光催化活性不仅跟其颗粒尺寸相关，而且还与其结晶性相关。煅烧温度为500℃时，ZnO具有较好的光催化活性。 　　关键词：ZnO 生长动力学 光催化 煅烧温度 　　1 引言 　　 　　 随着工业的发展，人类有限的资源受到严重的污染，因此污水处理引起了人们越来越多的关注。光催化氧化法是近几十年来发展起来的一种先进氧化技术（Advanced Oxidation Process，AOP）[1~2]，它是将特定光源（如紫外光UV）与催化剂（ZnO、TiO2或CdS等）的联合作用对有机废水进行降解处理的过程。与传统水处理技术中污染物的分离、浓缩以及相转移等为主的物理方法相比，具有明显的节能、高效、污染物降解彻底等优点。 　　 ZnO作为重要的半导体光催化剂具有较高的催化活性，其应用研究已引起人们的重视[3~4]，并可能成为TiO2的替代物，因为这两种物质具有相同的光催化机理[5]。据文献报道，ZnO比TiO2具有更高的光催化活性，如光催化降 　　解2-苯基苯酚[6]及苯酚[7]等。 　　 本文通过沉淀法合成了ZnO光催化剂，并采用XRD和TEM对前驱体及ZnO催化剂进行了表征，同时研究了ZnO生长动力学，通过光催化降解甲基橙来考查前驱体煅烧温度对光催化活性的影响。 　　 　　2 实验 　　 　　2.1ZnO的合成及表征 　　 实验中所用试剂均为分析纯，所用水均为蒸馏水。采用直接沉淀法合成ZnO纳米粉体，其步骤为将0.5mol/L的 (NH4)2CO3溶液滴加到相同浓度的ZnC2O4?2H2O溶液中，立即生成沉淀，将沉淀物洗涤、分离、干燥，即得前驱物，将前驱物在300~800℃煅烧2h，即得ZnO纳米粉体。 　　 ZnO的相组成和晶粒尺寸分析采用D/MAX-ⅢA型X射线衍射仪，Cu石墨单色器、工作电压为40kV、工作电流为30mA、λ为0.15418nm。ZnO的微观结构和形态采用JEOL JEM-2010HR型透射电镜分析。 　　2.2ZnO光催化性能的研究 　　 　　3 结果分析与讨论 　　 　　3.1前驱体的表征 　　 图1为ZnO前驱体的XRD图谱。从图1中可以看出，所有的衍射峰位置和强度均与JCPDS（No.19-1459）卡上的Zn5(OH)6(CO3)2一致，说明所得前驱体为碱式碳酸锌。 　　3.2ZnO的表征 　　 图2为前驱体在不同温度下煅烧2h所得ZnO的XRD图谱。从图2中可以看到，ZnO的衍射峰位置和强度均与JCPDS（No.36-1451）卡上的纯ZnO一致，为六方晶系纤锌矿结构，且无其他杂质峰，说明所制ZnO纯度较高。另外，从图2中还可以看出，当煅烧温度较低时，所得产物XRD图谱的衍射峰较宽，说明所得ZnO的平均晶粒尺寸较小。随着煅烧温度的升高，所得产物的XRD图谱的衍射峰变窄，说明所得ZnO的平均晶粒尺寸随着温度的升高逐渐增大。 　　 前驱体在不同煅烧温度下所得产物ZnO的平均晶粒尺寸（Dc）通过Scherrer公式[8]来计算： 　　 Dc=K?姿/（?茁cos?兹） （1） 　　 其中，?姿为X射线波长，?茁为衍射峰半高宽，θ 为衍射角，K为常数。图3为所得ZnO的平均晶粒尺寸和煅烧温度之间的关系。从图3中可以看出，在煅烧温度为300~500℃时，ZnO生长较为缓慢，而温度在600~800℃时，ZnO的晶粒尺寸增长较快。 　　 图4为前驱体在300~800°C下煅烧2h时所得ZnO的TEM图。从图4中可以看出，产物ZnO的颗粒尺寸随着温度的升高而变大。当煅烧温度为300°C时，所得ZnO的颗粒尺寸较小，且其形状不规则、结晶性不好，这与图2中XRD图结果一致。当煅烧温度升高到400~500℃时，所得ZnO颗粒尺寸进一步长大，晶体结晶较好。当煅烧温度升高到600~800℃，所得ZnO的颗粒尺寸进一步增大，并且变化比较明显。这一结果和XRD分析结果一致。因此从XRD图与TEM图进一步验证，随着煅烧温度的升高，有利于ZnO晶粒尺寸的长大。 　　3.3ZnO的生长动力学 　　3.4ZnO的光催化性能 　　 图6为不同煅烧温度对所得ZnO的光催化活性的影响。从图6中可以看出，当没有催化剂而只有紫外灯存在时，甲基橙几乎没有降解。而当紫外灯和催化剂同时存在时，甲基橙降解速率较快。另外，从图6中还可以看出，煅烧温度