Page 108 - 《精细化工》2021年第8期
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·1602· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷
为了使 ZnO 与 Au 达到费米能级持平而流向修饰于
ZnO 表面的 Au 纳米粒子,这有助于光生载流子的
分离,降低了光生载流子的复合速率。光生电子与
样品表面所吸附的 O 2 分子反应生成超氧阴离子自
2–
由基•O ,其可以转化为具有强氧化性的活性•OH。
同时,光生空穴可以和 H 2 O 生成•OH,足够多的•OH
将 MB 或 MO 最终降解为 CO 2 和 H 2 O。主要反应如
下:
+
–
ZnO + Au + hv → e (Au) + h (ZnO) (2)
–
–
e (Au) +O 2 →•O 2 (3)
–
•O 2 +H 2 O→HO 2 •+OH – (4)
HO 2 •+H 2 O→•OH+H 2 O 2 (5)
H 2 O 2 →2•OH (6)
+
+
h (ZnO) +H 2 O→•OH+H (7)
•OH+MB→CO 2 +H 2 O (8)
•OH+MO→CO 2 +H 2 O (9)
与目前已有的研究结果 [33] 相比,本文中 Au/ZnO
复合物光催化性能的提高主要是由于 Au 纳米粒子
图 9 紫外光下,ZnO 和 Au/ZnO 样品降解 MB(a)和 与 ZnO 纳米粒子之间紧密的界面结构,这种良好的
MO(b)的一级动力学拟合曲线 界面关系不仅保证了光催化过程中 Au 纳米粒子分
Fig. 9 First order kinetics fitting curves of degradation of 离光生载流子的能力,还提升了两种材料异质结构
MB (a) and MO (b) by ZnO and Au/ZnO samples 的稳定性。
under UV light irradiation
由图 9a 可知,对于 MB,样品 ZnO、0.3%-Au/ZnO、
0.5%-Au/ZnO、1%-Au/ZnO、3%-Au/ZnO、5%-Au/ZnO
–2
–2
对其降解反应的 k 值分别为 1.159×10 、2.636×10 、
–1
–2
–2
–2
–2
4.932×10 、1.902×10 、2.606×10 、2.120×10 min 。
可见纳米 ZnO 在 Au 的修饰下,其降解反应速率皆
得到提升,光催化性能表现最佳的样品 0.5%-Au/ZnO
的 k 值约为纯 ZnO 的 4.26 倍。对于 MO,ZnO、0.3%-
Au/ZnO、0.5%-Au/ZnO、1%-Au/ZnO、3%-Au/ZnO、
–2
5%-Au/ZnO 所对应的 k 值分别为 1.008×10 、 图 10 Au/ZnO 样品紫外光催化机理示意图
–2
–2
–2
–2
1.763×10 、2.397×10 、2.075×10 、1.403×10 、1.589× Fig. 10 Schematic diagram of UV photocatalytic mechanism
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–2
10 min ,催化表现最佳的样品 0.5%-Au/ZnO 的 k of Au/ZnO sample
值约为纯 ZnO 的 2.38 倍。总之,纳米 Au 粒子的修
饰使得样品在紫外光下对 MB 和 MO 的降解性能都得 3 结论
到提升。
2.7 Au 修饰 ZnO 纳米复合物紫外光催化机理 (1)通过超声化学法成功制备了异质界面结合
光催化性能最优越的样品 0.5%-Au/ZnO 的紫外 紧密的 Au/ZnO 纳米复合物。
光催化机理示意图见图 10。 (2)在紫外光下,Au 对 ZnO 的表面修饰能够
如图 10 所示,结合样品的荧光图谱及紫外吸收 提高 ZnO 的光催化性能。Au 含量为 0.5%时,80 min
光谱提出其催化性能的机理。对于纯 ZnO,当紫外 完全降解 MB,160 min 完全降解 MO。
光照射样品时,ZnO 价带(VB)电子被激发(即光 (3)Au 纳米粒子的表面等离子体共振效应可以
生电子),后跃迁至导带(CB)。这使价带产生带正 使 ZnO 的光吸收范围扩展至可见光区。
电荷的空穴(光生空穴),即光生载流子的分离。对 (4)复合物中 ZnO 的禁带宽度减小,表明 Au
于 Au/ZnO 材料,众所周知,Au 的功函数(5.1 eV) 的修饰对 ZnO 禁带宽度有调制作用。
大于 ZnO 的功函数(4.5 eV) [32] 。因此,光生电子 本文所采用的制备方法简单易行、效率高,产