ZnFe_%282%29O_%284%29基半导体材料在光催化领域的应用研究进展.pdf

第 卷第期年月 陕 西 国 防 职 教 研 究S h a a n x iG u o f a n gV o c a t i o n a lE d u c a t i o nR e s e a r c hV o l N o J u n e 收稿日期:基金项目:陕西国防工业职业技术学院 年度科研计划项目:A g负载Z n F e O 基可回收光催化剂的制备及其性能研究(项目编号:G f y ).作者简介:刘振兴(),男,陕西西安人,硕士研究生,讲师,主要研究方向为半导体光催化材料的制备及其性能和应用.潘文慧(),女,山西阳泉人,博士研究生,讲师,主要从事科研成果管理相关研究.Z n F eO基半导体材料在光催化领域的应用研究进展刘振兴,潘文慧(陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 ;西安邮电大学,陕西 西安 )摘要:Z n F eO兼具光催化性能和磁学性能,在光催化领域受到广泛的关注.本文介绍了Z n F eO半导体的晶体结构,概述了Z n F eO基半导体材料在水污染治理、无机污染物处理、灭杀细菌、能源存储、产氢、C O还原和空气污染治理方面的研究和应用,拓展学者对Z n F eO应用领域的了解,为Z n F eO研究提供了更广阔的思路和方法.关键词:Z n F eO;光催化;应用;进展中图分类号:TQ 文献标识码:A文章编号:S Y ()引言随着社会经济的发展,环境污染问题已经严重影响人类的生活质量,半导体光催化技术可以将太阳能转化为化学能,从根本上解决环境污染问题,对于可持续发展具有重大的意义.目前,光催化降解污染物的研究很多,然而至今只停留于实验室阶段,仍未应用于实际的大规模污水处理,限制应用主要有两大因素:一是降解污染物效率高的半导体光催化剂不易回收利用,容易造成二次污染.二是易回收利用的光催化剂降解污染物效率不高.当前,兼顾提升光催化效率和可回收性的研究较少.Z n F eO是一种窄禁带半导体(Eg e V),兼具磁性和光催化性能,物理化学稳定性、原材料来源充足,且在磁性环境下便可以与污水分离回收,因此颇具开发潜力.为了进一步丰富Z n F eO基材料的应用领域,本文以Z n F eO基材料性能出发,介绍了Z n F eO半导体的晶体结构,重点概述了Z n F eO基半导体材料光催化技术在能源和环境领域的应用,拓展读者对Z n F eO应用领域的了解,为Z n F eO研究提供了更广阔的思路和方法.图Z n F eO晶体结构:其中白色球为O,黑色球为F e,灰色球为Z nZ n F eO的结构和特点Z n F eO属于立方尖晶石晶体结构.如图所示,O离子存在于四面体位(A)和八面体位(B)种不同的间隙之间,其中四面体空隙有个O构成,称为A位,八面体空隙有个O构成,称为B位,共有 个A位及 个B位.Z n位于四面体间隙中心(灰色球),与O之间以共价键相连(白色球).F e位于八面体间隙中心(黑色球),与O之间以离子键连接.正是因为尖晶石晶体中存在着大量的共价键,因此具有尖晶石晶体结构的化合物的物理和化学性质非常稳定.Z n F eO禁带宽度窄(E g V),在可见光下就可响应,物理化学性质稳定,通常情况下不会与酸碱发生反应,原料丰富,合成工艺简单,相对其它磁性材料,具有无可比拟的优势.应用 水污染治理水污染是环境污染的重要来源之一,光催化技术能利用太阳能降解水中的有机污染物质,特别是一些工业上难处理的有机污染物,利用光催化技术都能降解去除,如烃类、卤代物、染料、农药、表面活性剂、羧酸类、含氮有机物和抗生素等有机化合物.Z h e n x i n gL i u利用模板剂,采用浸渍、煅烧的工艺制备了A g Z n OZ n F eO复合空心纳米光催化剂.经 W氙灯照射 m i n,gZ n OZ n F eO对R h B(罗丹明B,一种有机染料,常用作模拟污染物)溶液的降解率可以达到,高的光催化性能得益于大的比表面积和匹配的异质结设计.该样品在磁性环境下可以多次循环使用,证明该光催化剂可以应用于工业化污水处理.李瑞华采用赤泥基Z n F eO光催化降解四环素,实验结果表明,Z n F eO具有高的催化活性,在最优工艺条件下,HO浓度 mm o lL、催化剂用量 gL、反应时间 h、p H值为的条件时,对浓度为 m gL四环素降解率可以达到 ,经次循环使用实验,对四环素降解率可以达到.在Z n F eO光催化降解四环素实验中,O(超氧阴离子自由基)和h(空穴)活性物质主要起到光降解作用.无机污染物处理水中的无机污染物主要包括金属离子和无机阴离子,他们在水体中具有毒害性大,清除难的特点,备受人们关注,各国也加强了对无机污染物排放的控制,如C r、P b、H g、C d、磷化物、氰化物、砷化物等.光催化技术可以将一些难处理的无机污染物离子转化成无毒物质或低毒性物质,如工业污水中常见有C r,毒性大,诱导肺癌,常见的处理方法是将C r还 原 为 低 毒 性 的C r,碱 化 处 理 形 成C r(OH)沉淀,再过滤处理.Y u a n h a n gZ h a n g采用简便的多步法合成了Z n F eO/C P V C(C P V C,聚氯乙烯)纳米复合材料.光还原重金属离子实验表明,当Z n F eO/C P V C(C P V C与Z n F eO的质量比为)浓度为 g/L,KC rO浓度为 m g/L,反应环境p H为,经 m i n光照处理,将C r还原为C r的比例是 ,此光还原物质可以利用磁铁从水悬浮液中回收C r.以上结果表明,Z n F eO/C P V C是一种具有应用于C r废水处理的可见光响应光催化剂.灭杀细菌Z n F eO基半导体材料具有灭杀微生物的作用,在消灭细菌方面的应用受到广泛的关注,光催化剂能与细胞壁表面的蛋白质作用,破坏其细胞壁,进入细菌内部与细胞内蛋白质和相关酶作用阻碍细胞的呼吸,并且可以有效破坏D NA结构,抑制细菌基因的复制,从而影响细菌呼吸和细胞分裂等过程,最终导致细菌死亡,目前,光催化技术已在洁具、墙体和玻璃表面都得到了应用.史娟采用热溶剂法制备Z n F eOP D AA g(P D A,聚多巴胺,是一种蛋白质类高分子物质)纳米复合光催化剂.细菌实验结果表明,光催化剂材料浓度为 u g/m L,经 m i n,Z n F eOP D AA g对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌、革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌和耐药菌沙门氏菌的灭杀率均可以达到 .刘晴晴采用水热法制备A g/A g B r/Z n F eO复合材料,灭菌实验结果证明,A g/A g B r/Z n F eO(Z n F eO占A g/A g B r/Z n F eO的质量比为)复合材料对大肠杆菌的灭菌性能,在光反应 m i n时能将所有细菌完全杀灭.能源存储随着环境污染和能源危机问题日益严重,国家加大了对能源存储材料的研究和扶持力度.因锂离子负极常用材料石墨的工作电压低,能源存储容量低限制了其在电池领域广泛的应用.姜丽雪利用水热和热处理工艺制备了Z n F eO/M o S/r G O复合材料,电流密度为 mAg时进行充放电测试,Z n F eO/M o S/r G O的首圈放电比容量为 mAhg,经过 次循环后仍保留 mAhg的 放 电 比 容 量.同 时Z n F eO/M o S/r G O也表现出了较为优异的倍率性能,即在 mAg较高的电流密度下进行倍率性能测试时,仍具有 mAhg的放电比容量.孙爽淦通过水热法制备了Z n F eOM n O电极材料,该材料的最大比电容值可以达到 Fg.以铁酸锌核壳结构的电极材料为正极,活性炭电极材料为负极所组装的超级电容器的能量密度可以达到 Whk g,而且功率密度最大可以达到 Wk g.该电极材料还具有稳定性较好的特点,在经过 次的恒电流充放电循环之后,其电容值可以保留.产氢氢气(H)作为一种高效、清洁的能源载体,光陕 西 国 防 职 教 研 究催化技术可以将HO分解为H和O,而缓解能源危机.N a g a j y o t h iPC通过水热法制备了Z n F eO/M o S异质结复合物.优化后的Z n F eO/M o S光催化剂的产氢率为 m o l?hg,是Z n F eO光催化剂的 倍.光电化学结果表明,Z n F eO/M o S异质结显著降低了电子和空穴的复合,促进了有效的电荷转移.其光催化机理是Z n F eO和M o S在光照射下都能产生电子和空穴对,M o S的C B(导带)中的光激发电子可以迁移并与Z n F eO的V B(价带)中的空穴结合.此时,电子和空穴在空间上被分离,并最终分别聚集在Z n F eO的C B和M o S的V B处.因此,Z n F eO/M o S异质结由于Z n F eO的窄带隙,不仅可以扩大光吸收范围,还可以提高光利用率.C O还原随着工业化的推进,C O排放量与日俱增,导致了气候变暖,因此对于C O的转化利用很有研究意义.借助光催化技术,利用HO将C O还原为甲烷、甲醇和C O等小分子有机化合物是目前的研究热点.郭佳佳采用溶胶凝胶法成功地制备了Z n F eO纳米光催化剂,其具有较大的比表面积、更好的光吸收性能和光生电子空穴对分离性能.光催化结果表明,用 W氙灯照射h,Z n F eO光催化HO还原C O生成H、C O和CH的产率分别为 m o l/g/h、m o l/g/h和 m o l/g/h.严逸珑采用简便的一锅离子热法成功地合成了Z n F eO/F e PC T F s复合光催化材料.所制备的Z n F eO/F e PC T F s表现出更好 的C O还原 性能,其C O生成速率为 m o l/g/h.这种异质结结构保持了较高的比表面积,有利于二氧化碳的吸附,并且暴露了更多的活性中心,促进了二氧化碳与光催化中心的紧密接触.空气污染治理从家具、建材和家电等释放到空气中的有害气体多达 余种,其中包括耳熟能详的的气体有甲醛、氨气、一氧化碳、二氧化氮、二甲苯和二氧化硫等有害气体.这些有毒气体可以引起呼吸系统、中枢神经系统、免疫系统等的异常紊乱,引发白血病、癌症等不治之症.S e o u n g R a eK i m通过热处理工艺得 到 了N C Q D s/Z n F eO/B O B(C Q D s,c a r b o nq u a n t u md o t s,碳量子点:直径为 纳米的碳纳米颗粒)(B O B,B i O B r,溴氧化铋)三元复合光催化剂,光催化实验结果表明,经 W氙灯光照处理,N C Q D s/Z n F eO/B O B在h后,对,三甲苯的降解率可以达到 ,对邻二甲苯的降解率可以到达 .结语目前半导体材料的光催化技术属于高科技技术,许多性能研究还处于实验室阶段,应用于工程实际的性能较少.本文介绍了Z n F eO半导体的晶体结构,概述了Z n F eO基半导体材料在水污染治理、无机污染物处理、灭杀细菌、能源存储、产氢、C O还原和空气污染治理方面的应用,及其在上述领域的效率.拓展学者对Z n F eO基半导体材料应用领域的了解,为其它半导体材料的光催化技术研究提供了更广阔的思路和方法,助推了半导体光催化技术从实验室走向市场.P r o g r e s s i nt h eA p p l i c a t i o no fZ n F eO b a s e dS e m i c o n d u c t o rM a t e r i a l s i nP h o t o c a t a l y s i sL I UZ h e n x i n g,P AN W e n h u i(S h a a n x i I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g yX ia nS h a a n x i ;X ia nU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o mm u n i c a t i o nX ia nS h a a n x i )A b s t r a c t:Z n F eOw i t hb o t hp h o t o c a t a l y t i cp r o p e r t i e sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i e s,i th a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o n i nt h e f i e l do fp h o t o c a t a l y s i s T h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ec r y s t a l s t r u c t u r eo fZ n F eOs e m i c o n d u c t o r,t h eo v e r v i e wo fZ n F eO b a s e ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s i nw a t e rp o l l u t i o nt r e a t m e n t,i n o r g a n i cp o l l u t a n t st r e a t m e n t,k i l l i n gb a c t e r i a,e n e r g ys t o r a g e,h y d r o g e np r o d u c t i o n,C Or e d u c t i o na n da i rp o l l u t i o nc o n t r o lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n,e x p a n dt h eu n d e r s t a n d i n go f t h eZ n F eOa p p l i c a t i o nf i e l d,f o rZ n F eOr e s e a r c hp r o v i d e sab r o a d e r t h i n k i n gm e t h o d s K e yW o r d s:Z n F eO;P h o t o c a t a l y s i s;A p p l i c a t i o n;P r o g r e s s刘振兴,潘文慧:Z n F eO基半导体材料在光催化领域的应用研究进展参考文献李瑞华,刘璐赤泥基Z n F eO光催化降解抗生素四环素的研究J化学工程师,():刘守新,刘鸿光催化及光催化基础与应用M北京:化学工业出版社,史娟,梁犇,宋凤敏,等 Z n F e O P D AA g纳米复合材料的制备及其抑菌性J复合材料学报,():刘晴晴卤化银/Z n F eO复合材料的制备及其光催化性能研究D镇江:江苏大学,王敏,朱彤,吕春梅钒酸铋光催化剂及其应用M北京:化学工业出版社,姜丽雪 Z n F eO基电极材料的制备及其电化学性能研究D吉林:吉林大学,孙爽淦 Z n F eOM n O和a f MWN T s的水热合成及其在超级电容器和太阳能电池中的应用D吉林:吉林大学,PCN a g a j y o t h i,KCD e v a r a y a p a l l i,SJ a e s o o l H i g h l ye f f i c i e n tw h i t e L E D l i g h t d r i v e np h o t o c a t a l y t i ch y d r o g e np r o d u c t i o nu s i n gh i g h l yc r y s t a l l i n eZ n F eO/M o Sn a n o c o m p o s i t e sJ I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r g y,():郭佳佳 Z n F eO尖晶石的制备、改性及光催化水蒸气还原C O性能D天津:天津大学,严逸珑 C o P d T C P P MO F s和Z n F eO/F e P C T F s的离子热合成及其光催化还原C O的研究 D杭州:浙江工业大学,(上接第页)r e d u c et h eb o r i n gs e n s eb r o u g h tb yp u r e t e c h n i c a l t e a c h i n g T h e r o l e a n dc h a r a c t e r i s t i c so f s p o r t sg a m e s i nh i g hv o c a t i o n a l v o l l e y b a l l t e a c h i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no f s p o r t sg a m e s i nh i g hv o c a t i o n a lv o l l e y b a l l t e a c h i n g i sd i s c u s s e d i n t h i sp a p e r,w h i c hp r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e r e f o r mo f v o l l e y b a l l t e a c h i n gr e f o r mi nh i g hv o c a t i o n a l c o l l e g e s K e yW o r d s:S p o r t sg a m e s;V o l l e y b a l l t e a c h i n g i nh i g hv o c a t i o n a l c o l l e g e s;R o l ea n dc h a r a c t e r i s t i c s参考文献张容体育游戏策略在高职田径教学中的创新应用J成才之路,():郭华军趣味田径教学法在高职体育教学中的运用J当代体育科技,():黄军高职田径教学中创新应用体育游戏策略的分析J当代体育科技,():(上接第页)a c c o r d i n gt ot h e t r a i n i n gm o d eo fv o c a t i o n a l c o l l e g e s,t h er e f o r mo f t h ew h o l ec o u r s et e a c h i n gi se x p l o r e df r o mt h ea s p e c t so fp r e c l a s sp r e p a r a t i o n,c l a s s r o o mt e a c h i n g,a f t e r c l a s s i n v e s t i g a t i o na n ds oo n,a n dt h et e a c h i n gr e f o r m m e t h o d sa r ep u t f o r w a r d A c c o r d i n gt ot h e i n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho fas e m e s t e r,t h en e wt e a c h i n gr e f o r m m e t h o dc a nm o b i l i z e t h ee n t h u s i a s mo f s t u d e n t s t o l e a r n,t h ea b i l i t yt oa n a l y z ep r o b l e m s,a n dt h e n i m p r o v e t h ep r o g r a mm i n ga b i l i t y K e yW o r d s:H i g hv o c a t i o n a l c o l l e g e s;Cl a n g u a g e;C l a s s r o o mt e a c h i n g;T e a c h i n gr e f o r m参考文献崔忠伟,张冬琴等面向物联网工程专业的C语言程序设计教学改革研究与实践J电脑知识与技术,():黄莉,张凯等面向新工科的C语言在线实训课程研究J课程教育研究,():王铭军基于混合现实情景下的C语言实训教学设计探索J电脑知识与技术,():闫贺新 C语言选择结构的课程设计J产业与科技论坛,():孙倩,王婷婷等 C语言教学过程改革实践J教育现代化,():陕 西 国 防 职 教 研 究