1.概述

1.1研制背景

近年來(lái)，紡織和制藥行業(yè)的水污染問(wèn)題已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，圍內(nèi)解決這個(gè)問(wèn)題。基于半導(dǎo)體的光催化技術(shù)由于其環(huán)境友好和成本較低而受到越來(lái)越多的關(guān)注。在各種半導(dǎo)體材料中，氧化鋅由于其氧化還原電位高、激子結(jié)合能大、物理和化學(xué)穩(wěn)定性較好、廉價(jià)且無(wú)毒被用作光催化劑。盡管這些ZnO納米結(jié)構(gòu)的光催化活性很高，但由于ZnO光催化劑中的光生電子-空穴對(duì)易于復(fù)合，導(dǎo)致光量子利用率低，從而降低其光催化效率。因此，拓寬ZnO光催化劑的光響應(yīng)范圍、提高光催化過(guò)程中光生電子空穴的分離效率，開(kāi)發(fā)基于ZnO改性的高效光催化劑已成為現(xiàn)階段重大前沿科學(xué)探索領(lǐng)域之一。本發(fā)明采用水熱法制備了稀土Eu3+摻雜的氧化鋅納米球，并以此為催化劑降解甲基橙、羅丹明B和亞甲基藍(lán)等有機(jī)染料，實(shí)驗(yàn)證明，銪摻雜氧化鋅光催化劑對(duì)有機(jī)污染物有較高光催化降解活性，所制得光催化劑在有機(jī)染料廢水處理方面具有良好的應(yīng)用前景。

1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1單一半導(dǎo)體光催化劑

常見(jiàn)的單一化合物光催化劑為金屬氧化物或硫化物半導(dǎo)體材料。例TiO2,WO3,ZnO,ZnS,CdS等，它們具有較高的禁帶寬度,能使化學(xué)反應(yīng)在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行。用于有機(jī)化合物降解的良好的半導(dǎo)體光催化劑的關(guān)鍵是H2O/

．OH

(OH-=

．OH

+

e-;

Eo=

218V)的還原電位小于金屬材料的禁帶寬度,且能在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。在上述單一化合物半導(dǎo)體材料中，金屬硫化物和氧化鐵的多晶型物它們易受到光陰極腐蝕而影響了其活性和壽命，因而不是最佳的光佛化材料。TiO2因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗光腐蝕能力強(qiáng)、難溶、無(wú)毒、成本低，是研究中使用最廣泛的光催化材料，它能很好地利用可見(jiàn)光中的390m以下的紫外線，而不必使用昂費(fèi)和有害的人造光源(如高壓汞燈等)所發(fā)出的短波長(zhǎng)紫外光。不過(guò)它也有不完美之處，TiO2的禁帶寬度為3.2eV,其對(duì)應(yīng)的吸收波長(zhǎng)為387.5mm,光吸收僅局限于紫外光區(qū)。但這部分光尚達(dá)不到照射到地面太陽(yáng)光譜的5%，且TiO2量子效率最多不高于28%,因此太陽(yáng)能的利用效率僅在1%左右，大大限制了對(duì)太陽(yáng)能的利用。而氧化鋅由于其氧化還原電位高、激子結(jié)合能大、物理和化學(xué)穩(wěn)定性較好、廉價(jià)且無(wú)毒被用作光催化劑。銪摻雜氧化鋅光催化劑對(duì)有機(jī)污染物有較高光催化降解活性。

因此，為促使光生電子與空穴的分離，抑制其復(fù)合,從而提高量子效率，擴(kuò)大激發(fā)光的波長(zhǎng)范圍，以便充分利用太陽(yáng)能提高光催化劑的穩(wěn)定性.目前，有數(shù)種常用的半導(dǎo)體光催化劑的改性技術(shù)，主要包括過(guò)渡金屬離子摻雜，貴金屬沉積、稀土金屬離子摻雜、半導(dǎo)體光催化劑的復(fù)合和其它新型光催化劑的開(kāi)發(fā)等。

1.2.2過(guò)渡金屬摻雜

在半導(dǎo)體中摻雜不同價(jià)態(tài)的過(guò)渡金屬離子，不僅可以加強(qiáng)半導(dǎo)體的光催化作用，還可以使半導(dǎo)體的吸收波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至可

見(jiàn)光區(qū)域.從化學(xué)觀點(diǎn)看,金屬離子的摻雜可能在半導(dǎo)體晶格中引入了缺陷位置或改變了其結(jié)晶度,成為電子或空穴的陷阱而延長(zhǎng)壽命。

Choi等系統(tǒng)地研究了21種過(guò)渡金屬離子摻雜的TiO2納米晶，發(fā)現(xiàn)在品格中摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～15%的Fe３＋，Mo５＋，Ru2＋,0s2＋，Re2＋，V５＋和Rh2＋增加了光催化活性，并認(rèn)為摻雜的濃度、摻雜離子的分布，摻雜能級(jí)與TiO２能帶匹配程度、摻雜離子d電子的組態(tài)、電荷的轉(zhuǎn)移和復(fù)合等因素對(duì)催化劑的光催化活性有直接影響。

從前人研究的成果來(lái)看對(duì)于過(guò)渡金屬離子的摻雜,其濃度對(duì)光催化性能的提高有著重要的影響。當(dāng)摻雜量較少時(shí),增加雜質(zhì)離子的濃度,載流子的捕獲位會(huì)隨之增多，使得載流子壽命延長(zhǎng)，為電荷傳遞創(chuàng)造了條件，因而活性提高。當(dāng)摻雜超過(guò)一定濃度后，摻雜離子反而成為電子和電荷的復(fù)合中心，不利于載流子向界面?zhèn)鬟f。并且過(guò)多的摻入量會(huì)使TiO２表面的空間電荷層厚度增加，從而影響TiO２吸收入射光量子，不利于光催化性能的提高。因此,對(duì)于過(guò)渡金屬離子的摻雜一般存在一個(gè)最佳量。

１.２.３稀土金屬離子的摻雜

除了上述的提高光催化劑催化性能的方法外,摻雜稀土金屬離子也可以提高TiO２的光催化性能。復(fù)旦大學(xué)電光源研究所研究，ZnO納米顆粒是一種綠色環(huán)保、合成成本低的材料,廣泛應(yīng)

用于發(fā)光以及光催化領(lǐng)域。稀土元素具有獨(dú)特的性質(zhì),通過(guò)稀土元素?fù)诫sZnO,可以得到具有優(yōu)良特性的發(fā)光材料和光催化劑,同時(shí)在傳感以及抗菌方面也有巨大的潛力。

１.３產(chǎn)品簡(jiǎn)介

(１)將0.5g的醋酸鋅溶于20mL無(wú)水乙醇中，并加入0.1g的NaOH，再加入0.0879～0.4229g的硝酸銪，攪拌1h得到均勻混合溶液；

（２）將步驟(１)所得的混合溶液放入聚四氟乙烯襯里的反應(yīng)釜中，在180℃條件下反應(yīng)5h，然后冷卻得到產(chǎn)物；

（３）將步驟（２）中所得的產(chǎn)物用無(wú)水乙醇和水分別洗滌、離心分離3次，在70℃條件下烘干12h，再放入馬弗爐中800℃燒結(jié)1h，即得所述摻銪氧化鋅光催化劑材料。

制備的摻銪氧化鋅對(duì)三種不同染料(亞甲基藍(lán)，MSDS；羅丹明B，RodamineB；甲基橙，MO)降解50min和100min后的降解率，對(duì)光照50min和100min的降解率進(jìn)行比對(duì)，可看出在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，均是對(duì)10mg/L的亞甲基藍(lán)的降解率最好。

２.依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

稀土元素具有豐富的能級(jí),特殊的4f電子躍遷特性和光學(xué)性質(zhì),不僅能夠以離子摻雜或半導(dǎo)體復(fù)合的形式有效提升傳統(tǒng)TiO2，ZnO納米顆粒是一種綠色環(huán)保、合成成本低的材料,廣泛應(yīng)用于發(fā)光以及光催化領(lǐng)域。稀土元素具有獨(dú)特的性質(zhì),通過(guò)稀土元素?fù)诫s

ZnO,可以得到具有優(yōu)良特性的發(fā)光材料和光催化劑,同時(shí)在傳感以及抗菌方面也有巨大的潛力。

３.研究方法

采用簡(jiǎn)單的水熱法制備了稀土Eu3+摻雜的氧化鋅納米球，并以此為催化劑降解甲基橙、羅丹明B和亞甲基藍(lán)等有機(jī)染料，實(shí)驗(yàn)證明，銪摻雜氧化鋅光催化劑對(duì)有機(jī)污染物有較高光催化降解活性，所制得光催化劑在有機(jī)染料廢水處理方面具有良好的應(yīng)用前景。

７.結(jié)束語(yǔ)

７.１研究報(bào)告

主要是實(shí)驗(yàn)室研究應(yīng)盡快過(guò)渡到大量生產(chǎn)階段。

７.２研究報(bào)告的依據(jù)

包括文獻(xiàn)依據(jù)與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

７.３未來(lái)展望

在執(zhí)行提交研究報(bào)告文件過(guò)程中，也可能遇到一些新問(wèn)題，這需要團(tuán)隊(duì)人員同心協(xié)力，逐個(gè)解決，共同迎接更加環(huán)保的明天。