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纳米铁酸锌的共沉淀法制备及其光催化性能

更新时间:2016-07-05

0 引言

作为一种新型窄带隙半导体材料,纳米铁酸锌在磁性、光催化、储能等领域已得到广泛研究与应用. Deng等利用简便一步溶剂热法调控制备出单分散铁酸盐微球MFe2O4(M= Fe, Mn, Co, Zn),这些亲水性和生物相容性微纳米材料在高级磁性材料、铁磁流体技术以及生物医学等领域将有广泛的应用[1]. Valenzuela等制备、表征了铁酸锌纳米材料,并研究了其对苯酚的光催化降解性能[2]. Sharma等和NuLi等分别制备并研究了铁酸锌作为Li离子电池电极材料的电化学性能[3- 4]. 铁酸盐纳米材料的制备方法有机械球磨法[5]、溶胶-凝胶法[6-7]、溶剂热法[8]、化学气相沉积法[9]和微波辅助燃烧法[10]等等,每种方法都有其优势与不足,如有的方法所制备的产品杂质较多,有的方法手续繁琐、操作费时,有的方法需要高温高压的苛刻反应条件等等.本文采用简便易行的共沉淀方法,制备出了纯净的尖晶石型颗粒状纳米铁酸锌,并研究了其对染料亚甲基蓝溶液的可见光光催化性能.

1 实验部分

1.1 药品及仪器

Zn(NO3)2·6H2O,Fe(NO3)3·9H2O,NaAc,乙二醇,无水乙醇(均为分析纯),X射线衍射仪(Shimadzu LabX-6000日本),扫描电镜(Quanta 200 FEG美国),傅里叶变换红外光谱仪(BRUKER VERTEX 70德国),电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司),台式离心机(TG16-WS长沙湘仪离心机有限公司),2000型分光光度计(尤尼柯(上海)仪器有限公司).

1.2 铁酸锌纳米材料的制备方法

称取4.04 g Fe(NO3)3·9H2O和1.48 g Zn(NO3)2·6H2O溶解在200 mL蒸馏水中,用氢氧化钠调节溶液pH值至9,磁力搅拌12 h并静置至出现明显分层. 使用台式高速离心机离心分离,去离子水洗涤4~5次.将所得到的沉淀80℃干燥12 h,取出沉淀置于坩埚中,650℃煅烧6 h.所得产物用玛瑙研钵充分研磨成细小粉末状.

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1.3 铁酸锌纳米材料的表征方法

通过SEM对制备出的纳米铁酸锌样品进行微观形貌和尺寸的观察和分析. 利用XRD对样品的纯度和晶体结构进行测试分析. 采用FTIR对样品中的化学键进行扫描分析.

1.4 纳米铁酸锌的光催化性能测试

以亚甲基蓝染料溶液作为目标污染物,首先利用分光光度计测定溶液的吸收光谱曲线,确定测定波长. 然后在室温条件下,一定量的催化剂铁酸锌颗粒加入亚甲基蓝染料溶液中(10 mg/L),进行可见光光催化性能研究. 首先将反应溶液于暗室中搅拌40 min后到达吸附平衡,接着打开模拟太阳光源(氙灯)进行照射. 在3 h的光催化降解过程中,每间隔30 min 取3 mL反应液,以高速离心机(转速9 000 转/min,时间5 min)分离出催化剂得到澄清溶液. 测定反应液在亚甲基蓝溶液最大吸收波长处的吸光度值,通过计算公式R = (A0-At)/A0×100% 考察纳米铁酸锌颗粒对亚甲基蓝溶液的光催化性能. 其中:R为亚甲基蓝溶液的降解率,A0为溶液的起始吸光度,At为溶液在t时刻的吸光度.

2 结果与讨论部分

2.1 铁酸锌纳米颗粒的表征

如图5所示,在没有催化剂只有氙灯照射的条件下,亚甲基蓝溶液的光降解率只有53.6%,在加入铁酸锌催化剂(加入量分别为10、30、50mg)的条件下亚甲基蓝溶液的光催化降解率迅速提高,在前半个小时降解速度最快,经过3 h的光催化降解后,30 mg的催化体系溶液的降解率最高,达到90.2%. 10 mg的催化剂用量不够,而50 mg的催化剂用量又过多,多余的催化剂影响了光的照射及染料的吸附和降解,使得光催化效率降低,所以纳米铁酸锌的最佳用量是30 mg.

(a)未研磨

(b)研磨后

图1 共沉淀法制备铁酸锌纳米材料的SEM图

利用扫描电子显微镜对制备出的纳米材料进行了微观形貌表征. 从图1(a)中可以发现, 产品的微观形貌是颗粒状,部分团聚成大块颗粒,经充分研磨后催化剂颗粒尺寸均为100~200 nm,且整体分散性较好(如图1(b)). 说明利用共沉淀法可以制备出颗粒尺寸均一、分散性较好的纳米铁酸锌光催化剂.

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2.1.2 XRD谱图

通过特征衍射峰的位置和强度可以了解样品的晶型和纯度. 如图2所示,样品的各个衍射峰与尖晶石型铁酸锌样品的JCPSD标准卡片(22-1012)一一对应. 其中衍射角2θ角在29.78°、35.22°、36.78°、42.81°、53.19°、56.61°和62.18°处分别与铁酸锌的(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面相对应. 谱图中未见杂质峰,说明所制备的纳米材料比较纯净.

图2 共沉淀法制备铁酸锌纳米材料的XRD图

2.1.3 FTIR分析

纳米铁酸锌在4 000~450 cm-1范围内的红外光谱如图3所示. 在569 cm-1和465 cm-1两处的特征峰归属于铁酸锌晶体中Fe-O键和Zn-O键,说明尖晶石型铁酸锌被成功制备出来. 3405和1 447cm-1是吸附的水分子和表面羟基的特征峰,2 364 cm-1是空气中或催化剂表面吸附的痕量CO2的特征峰[11]. 此外2973和1 048 cm-1两处强度不高的杂质峰说明所制备的纳米铁酸锌催化剂纯度还是比较高的.

图3 共沉淀法制备铁酸锌纳米材料的FTIR图

2.2 纳米铁酸锌光催化性能考察

[4]NULI Y N, CHU Y Q, QIN Q Z. Nanocrystalline ZnFe2O4 and Ag-Doped ZnFe2O4 films used as new anode materials for Li-ion batteries [J]. J. Electrochem. Soc., 2004, 151(7): A1077-A1083.

亚甲基蓝溶液的吸收光谱曲线如图4所示,在400~800 nm的可见光谱区有两个特征峰,668nm是其最大吸收波长,以此作为测定波长灵敏度比较高,误差较小. 因此,在668 nm处测定亚甲基蓝溶液的吸光度,在朗伯-比尔定律A=εbc中,当摩尔吸光系数ε和比色皿的厚度b为定值时,吸光度A与浓度c具有正比关系,所以通过吸光度A的变化可以计算亚甲基蓝溶液的光催化降解率.

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图4 亚甲基蓝溶液的吸收光谱曲线

2.2.2 不同用量纳米铁酸锌对亚甲基蓝溶液的催化性能考察

2.1.1 SEM表征

本研究中,237例患者经万古霉素治疗后的总有效率为69.6%,细菌清除率为72.0%。这提示万古霉素的治疗有效率偏低,可能与其血药谷浓度达标率低(仅有85例患者的121次监测结果在10~20 mg/L范围内,监测不合格率为67.3%)有关。安全性评价结果显示,在135例用药前肾功能正常的患者中,有13例使用万古霉素后出现了肾功能异常,血药谷浓度为12.3~48.5 mg/L;上述患者经停药或减量后,症状均有所好转。这提示万古霉素可能会造成患者肾功能异常,临床应予以高度重视。

图5 不同催化剂用量对亚甲基蓝溶液降解率的影响

2.2.3 溶液pH值对亚甲基蓝溶液降解率的影响

亚甲基蓝溶液浓度为10 mg/L,催化剂的加入量为30 mg, 调节溶液的pH值,溶液的降解率如图6所示.溶液酸度在中性到酸性条件下,亚甲基蓝的降解率较高,而碱性条件不利于染料溶液的降解.在溶液pH值为5时,亚甲基蓝溶液的降解率最高达到92.1%. 亚甲基蓝水溶液的pH大约为7,在弱酸到中等酸度的条件下,过量的H+结合生成进一步转化成OH·,而这三种自由基均可氧化亚甲基蓝,提高了降解体系的光催化氧化能力,故pH值为5时溶液的降解率最高. 但是当体系的酸度进一步增加,pH下降到3时,溶液中H+的量增大,OH-的浓度显著降低,致使铁酸锌催化剂表面的活性基团OH·的数量减少,所以亚甲基蓝溶液被氧化的程度有所减弱. 而碱性条件不利于的生成,使得具有氧化性的自由基数量减少,亚甲基蓝溶液的降解率降低.

图6 溶液pH对亚甲基蓝溶液降解率的影响

3 结论

(1)利用简便易行的共沉淀方法制备出了尖晶石型铁酸锌纳米颗粒,直径约为100~200 nm,产品纯度较高;

[2]VALENZUELA M A, BOSCH P, JIMENEZ-BECERRILL J, et al. Preparation, characterization and photocatalytic activity of ZnO, Fe2O3 and ZnFe2O4 [J]. J. Photochem. Photobiol A., 2002, 148: 177-182.

第三,联系生活。生活是真实的,写作来源于生活,应该是真情实感的体现。评价一篇文章要看感情是否真挚,能否打动读者,是否来自亲身经历的真情实感,凭空臆想,脱离现实生活的作文就是无源之水,无本之木,无法打动读者,是没有价值的。

(3)100 mL 10 mg/L的亚甲基蓝溶液在pH值为5,纳米铁酸锌催化剂加入量为30 mg, 可见光光催化降解3 h后的降解率达到92.1%.

无论是刘强东“第四次零售革命”的概念,抑或是马云的“线上、线下、物流相融”的理论,其于未来零售业的探索从最初起便开始从线上向线下布局。

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参考文献

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(2)所制备的纳米铁酸锌颗粒对亚甲基蓝溶液的光催化降解能力较强,弱酸性体系有助于染料溶液的降解;

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[3]SHARMA Y, SHARMA N, SUBBA RAO G V, et al. Li-storage and cyclability of urea combustion derived ZnFe2O4 as anode for Li-ion batteries [J]. Electrochim. Acta ,2008, 53: 2380-2385.

2.2.1 亚甲基蓝溶液的吸收光谱曲线

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一、习近平新时代中国特色社会主义思想是马克思主义中国化最新成果,是科学社会主义理论逻辑和中国社会发展历史逻辑的辩证统一

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张启伟
《大连交通大学学报》2018年第02期文献

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