1、Co2+離子的摻雜納米ZnO光催化材料制備課程設計教學大綱課程編號：05414001課程總學時：1周課程總學分：1設計總學時：40面向專業：材料科學與工程本大綱主撰人：鄭舉功一、課程設計的任務和基本要求：（一） 課程設計的任務用濕化學方法，Co2+可以均勻取代納米氧化鋅的中Zn2+，1-xCoxO。其樣品用X衍射，電子透射鏡，能量色散X射線映射分析和紫外可見光吸收光譜進行表征。用羅丹明B降解作為探針反應來評價Co2+在ZnO納米棒中的參雜效應和紫外光可見光照射下的光催化能的。（二） 課程設計基本要求1 掌握什么是ZnO光催化材料；2 掌握制備納米Zn1-xCoxO的方法；3 完成課程設計報告二

2、、設計原理和依據： 半導體輔助光催化降解有機污染物解決了壞境問題14引起了很大的研究興趣。許多半導體材料，包括ZnO和TiO2以具有優異的光敏感性、無毒、低成本、環境友好性能而作為光催化劑應用5, 6。然而，大多數半導體只吸收小于或者等于385nm的紫外光或可見光照射下才有這種光催化活性。波長在400-700nm可見光的的占太陽光能量的45%，然而紫外線在這個區間的占不到10% 7。因此，為了實際應用，通過擴大光譜吸收范圍提高光催化效率是非常有必要的。根據固態物理理論，吸收光譜直接決定于結構和帶隙能。為了有效提高半導體的光吸收性能和光催化活性，許多工作者通過摻雜金屬和非金屬離子修飾半導體的結構

3、813，在光催化活性方面產生了一些積極或消極的影響4，盡管近來研究取得顯著進步，但是摻雜效應的性質和光催化性能還沒有很好的解釋14, 15。大家面臨的問題是，摻雜物離子是位于格子表面還是在半導體格子中16，另外雜質離子是如何影響電子性質和改變電子對重組的13。顯然，弄清楚光催化作用和摻雜效應之間的相互關系對于深入理解光催化機理是非常重要的。ZnO是直接帶隙半導體，由于Co2+摻雜在ZnO中可以發生明顯的帶隙能紅移，更重要的是，光吸收帶可擴展到太陽能的可見光范圍17，18，預期將加強可見光的光催化作用。據最近報道，因為兩條Co2+寬價帶轉換發生在可見光能量范圍內20，Co2+ 置換ZnO膜中對Z

4、n2+在可見光的照射下導致光電流的激增19。對于大多數半導體材料，電荷傳輸很大程度上是由固體的點陣參數決定的21，點陣參數與粒子尺寸和摻雜濃度有關。因此，為了精確地掌握摻雜效應對光催化性能的影響以及相關的機理，利用均相置換法合成Zn1-xCoxO納米結構是非常重要的，然而這對我們來說仍具有挑戰性。本研究通過濕法化學的方法制備了Zn1-xCoxO納米棒，其中Co2+離子被均勻地包含在ZnO納米晶體格子中。使用羅丹明B降解作為探測反應評價在紫外線照射和可視光照射的條件下，Co2+ 置換在Zn1-xCoxO納米棒的光催化作用中的作用。研究發現，摻雜的Co2+ 使得ZnO晶格產生對電子和空穴俘獲或復合

5、的作用。明顯抑制了羅丹明B溶液在紫外線照射下的光降解。另外，Co2+離子增強了光學吸收并在可見光照下產生載流子。因此，ZnO納米晶體格子中的Co2+離子的置換明顯地改善了可見光的光催化作用。2 實驗2.1 藥品與試劑2.2 樣品制備Zn1-xCoxO納米棒的合成描述如下：將的Zn(Ac)2.2H2O和給定數量的Co(Ac)2.4H2O加入到100ml乙醇溶液中，組成成摩爾濃度由015%的Co(Ac)2.4H2O的懸浮液。將50mL濃度為1M NaOH 溶解于乙醇中的溶液，在室溫磁性攪拌與上述懸浮液混合。將這種混合物轉移到10支25ml 聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中，在120oC反應2小時，反

6、應釜自然冷卻到室溫，抽濾得到最后產物。用水清洗數次，在空氣中干燥至環境溫度。2.3 Zn1-xCoxO樣品表征室溫下應用Rigaku2000儀器（CuK射線）測試Zn1-xCoxO樣品的X射線衍射（XRD）數據，鎳作為確定峰值的位置的內部標準。樣品的點陣參數用最小二乘法計算。樣品的形貌和結構以200kV的加速電壓用JEM-2010透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)研究。樣品的化學組成用X射線能量分散光譜分析法（EDX）檢測。用Lambala900uv/vis紫外可見分光光度計獲得樣品的光吸收光譜。YEBCA-LABMKII X射線光電分光計以采用ESCA-LAB MK

7、 II型光電子能譜分析儀（VGCo. Al K射線，壓力為5 10-9Pa）以 X射線光電子能譜分析 （XPS）方法確定樣品中Co離子的價態，C1s信號用來糾正樣品表面的電荷作用。2.4 光催化活性測試若丹明，一種常見的著色劑（RhB），作為鑒定分子評價Zn1-xCoxO納米粉體在紫外線和可見光照射下光催化活性。實驗步驟如下：80mg Zn1-xCoxO粉體分散在100mL濃度為10-5M 含水RhB水溶液中，首先在黑暗中磁力攪拌的懸浮液12小時，以確保RhB在Zn1-xCoxO納米粉體表面達到吸收平衡，然后用4支6瓦的紫外等管（Philips. =365nm）照射懸浮液，繼續磁力攪拌懸浮液以

8、確保實驗全過程粒子充滿確懸浮液中。為比較實驗結果，RhB在可見光下照射下的上述過程同樣展開，把一個300瓦的鹵光燈放置在有循環水的圓柱形玻璃器皿中作為可見光源，同時，在水循環夾套外面安裝一個選擇性過濾器除去消除波長在420nm以下的射線，以此確保有可見光照射。在給定間隔抽取3ml懸浮液并在轉速9000rpm離心15min，用Perkin-Elmer UV WinLab Lambda 35 分光光度計測量上層清液然后的紫外吸收光譜。3 工藝流程4 結論和問題探討這項工作介紹了高結晶Zn1-xCoxO納米棒的制備及其光催化性能。Co2+同質替代ZnO中的Zn2+，納米棒的形狀和尺寸都沒發生改變，但是產生明顯的帶隙能紅移，可見光范圍內明顯吸收帶。隨著Co含量的增加，由于晶格膨脹，Co2+的3d電子晶