人類自工業(yè)革命以來科技發(fā)展日新月異,但同 時污染也日益加重,因此尋找到高效率、低成本的 污水處理辦法已經(jīng)迫在眉睫。光催化技術(shù)由于兼 具以上優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注和研究。光催化技術(shù) 始于1972年,光催化是在光照條件下使污染物光催化劑表面催化分解的過程,光催化降解法可 以徹底破壞有機物的結(jié)構(gòu),有效地降解多種有機污 染物,并將有機物全部礦化為CO2、 H2O或毒性很小 的有機物,達到無害處理的要求。這些特點使得 這項技術(shù)在水質(zhì)污染治理、土壤污染治理和大氣污染治理等方面展現(xiàn)出了十分光明的應(yīng)用前景和巨 大的經(jīng)濟效益。
納米ZnO對某些有機物的吸附性較差,從而導(dǎo) 致其光催化效率較低,石墨烯對光催化劑的改性研 究被認為是最具前景的光催化劑改性方法之一。 氧化石墨烯是石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的產(chǎn) 物,氧化石墨烯仍保持良好的層狀結(jié)構(gòu),在氧化的 過程中,在每一層的石墨烯片上,皆引入了許多氧 基功能團,這些活性基團的引入,使得氧化石墨烯 的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,化學(xué)活性更為活潑。本文采用 將氧化鋅與石墨烯制成復(fù)合光催化材料,并使其催 化分解模版污染物亞甲基藍的方法研究了光催化 劑對污染物的分解效力。
石墨粉、硝酸鋅、氫氧化鈉購于國藥集團化學(xué) 試劑有限公司;濃硫酸購于北京北化精細化學(xué)品有 限責(zé)任公司;高錳酸鉀購于鄭州市化學(xué)試劑三廠; 無水乙醇購于天津市富宇精細化工有限公司;雙氧 水購于沈陽化學(xué)試劑廠;鹽酸購于沈陽經(jīng)濟技術(shù)開 發(fā)試劑廠。以上試劑皆為分析純。
數(shù)顯電動攪拌機(江蘇省金壇市友聯(lián)儀器研究 所);數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造 有限公司);高轉(zhuǎn)速離心機(湖南省湘儀實驗室儀器 開發(fā)有限公司);真空干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有 限公司);循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有 限公司);超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公 司);雙向磁力攪拌器(江蘇省金壇市金城國勝實驗 儀器廠);水浴恒溫振蕩器(常州國宇儀器制造有限 公司);紫外可見分光光度計(上海元析儀器有限公 司);電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公 司);高壓熒光汞燈(佛山市南海羅村迴龍燈飾電器 有限公司);臺式掃描電鏡(EM-30PLUS);牛津儀 器無窗超級能譜Extreme(X-MaxExtreme)。
在冰水浴下,將2.0g石墨粉、 1.0g硝酸鈉加入 到250mL的三口燒瓶中冷卻至0℃,再將96mL濃 硫酸緩慢加入三口燒瓶中,充分攪拌后,加入2.0g高錳酸鉀,充分攪拌30min,在接下來的1h內(nèi)分2 次加入4g高錳酸鉀,繼續(xù)攪拌,然后反應(yīng)2h,整個 過程都保持冰水浴和磁力攪拌狀態(tài)。將三口燒瓶 從冰水浴中取出,放入35±3℃的水浴中,繼續(xù)攪拌 下反應(yīng)18h,得到褐色懸浮液,此階段為中溫反應(yīng) 階段。將120mL去離子水緩慢加入此褐色懸浮液 中,體系溫度驟然升高至90℃左右,并伴有大量的 氣體生成,將稀釋的懸浮液繼續(xù)在80~90℃下反 應(yīng)30min,此階段為高溫反應(yīng)階段。(這部分反應(yīng)在 通風(fēng)櫥下完成),高溫階段反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)向褐色 懸浮液中加入120mL去離子水降低體系溫度,然 后加入大量30%的雙氧水以除去過量的高錳酸鉀, 此時得到的亮黃色溶液即為氧化石墨分散液。將 得到的亮黃色氧化石墨懸浮液在4000r/min的轉(zhuǎn)速 下離心30min得到沉淀物;然后將此沉淀物用1∶10 的稀鹽酸多次離心洗滌除去殘余的金屬鹽和SO42等;然后再用去離子水反復(fù)洗滌多次,除去產(chǎn)物中 的酸,最后將所得產(chǎn)物在60℃的條件下真空干燥, 即可制得氧化石墨烯。
準(zhǔn)確稱取2.9749gZn(NO3) 2 ·6H2O(0.01mol) 和4.0000gNaOH(0.1mol),緩慢加入到盛有80mL 乙醇的燒杯中,室溫下攪拌3h,使二者混合完全, 然后將所得乳濁液移入容量為100mL的聚四氟乙 烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中,置于烘箱中,120℃條件下 保溫24h。保溫結(jié)束后,讓反應(yīng)釜自然冷卻至室 溫,抽濾得到白色沉淀,并用無水乙醇和蒸餾水反 復(fù)多次洗滌,然后置于烘箱中70℃下干燥12h。將 所得白色粉末置于馬弗爐中,以3℃/min的速率升 溫至500℃,并在500℃條件下保溫鍛燒3h,得到 納米ZnO光催化材料。
稱取0.01g氧化石墨烯粉末溶解于10mL無水 乙醇與20mL蒸餾水的混合溶液中,超聲30min后 緩慢加入0.1gZnO粉末,室溫下磁力攪拌2h,然后 將混合溶液移入容量為50mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯 的高壓水熱反應(yīng)釜中,置于烘箱中120℃保溫3h。 保溫結(jié)束后,自然冷卻至室溫,將所得沉淀抽濾、并 用無水乙醇和蒸餾水反復(fù)多次洗滌,70℃干燥6h, 制得ZnO與石墨烯的復(fù)合光催化材料。
石墨烯和ZnO/石墨烯復(fù)合光催化材料的掃描 電子顯微鏡(SEM)分析如圖5所示。從圖5(a)可以 看出石墨烯表面無明顯的顆粒吸附物。從圖5(b) 可以看出ZnO納米棒與石墨烯復(fù)合成功,微米級的 氧化石墨烯片覆蓋在ZnO納米棒的表面。ZnO納 米顆粒與氧化石墨烯復(fù)合時,由于納米顆粒的尺寸 較小(~50nm),所以ZnO納米顆粒散落分布在微米 級的氧化石墨烯片層上,甚至有些顆粒會直接被氧 化石墨烯包裹,使得ZnO與氧化石墨烯的接觸面積 增大。
ZnO/石墨烯復(fù)合光催化材料的能譜分析結(jié)果 如圖6所示。能譜分析在圖6(a)處選點,其結(jié)果如 圖6(b)所示,圖上顯示ZnO/石墨烯復(fù)合光催化材 料的主要元素為C、 O、Zn,其質(zhì)量百分比分別為 2.65%、19.27%、78.08%,這與理論值基本一致,說 明ZnO/石墨烯復(fù)合光催化材料已成功制備。
通過對亞甲基藍初始濃度、光催化劑用量和紫 外光光照時間等單因素進行研究,得出的結(jié)論是: 當(dāng)取25mL濃度為8mg/L的亞甲基藍溶液,加入制 備的ZnO/石墨烯復(fù)合光催化材料20mg,并在高壓 熒光汞燈下照射25min時,其吸光度值從最初的 1.447降到了0.053,光催化降解率為96.34%,扣除 對照實驗所測得的8.02%的吸附率,其凈光催化率 達到了88.32%,具有很好的光催化效果。