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ZnO-TiO2纳米复合材料的制备及其光催化性能的研究
摘要：
本文旨在探索ZnO-TiO2纳米复合材料的制备方法及其光催化性能，通过溶胶-凝胶法制备ZnO-TiO2纳米复合材料，并对其形貌、结构及光催化性能进行了表征和研究。结果表明，制备得到的ZnO-TiO2纳米复合材料具有良好的结晶性和光催化性能，其中以10%的ZnO掺杂量最优。因此，本文的研究为纳米复合材料的制备及其应用提供了参考价值。
关键词：ZnO-TiO2纳米复合材料；制备；表征；光催化性能；溶胶-凝胶法
1.引言
在当今的科技发展中，人们对纳米材料的制备及其性能研究越来越受到关注。纳米复合材料即是由两种或多种不同纳米粒子组成的材料，其具有比单一材料更好的性能，如高强度、高硬度、高韧性等。同时，纳米复合材料还可用于光催化降解有机污染物，因此在环境保护中具有重要意义。
氧化锌（ZnO）和氧化钛（TiO2）是目前最被研究和应用的纳米材料之一。其中，TiO2具有良好的稳定性和光催化性能，在环境保护领域应用广泛。但其催化剂效率受到晶体缺陷、光生电子-空穴复合等因素的限制。而ZnO具有宽带隙和高电子迁移率等优势，在光催化性能方面也较为突出。因此，将TiO2与ZnO复合成纳米复合材料，有望综合利用二者的优势，进一步提高其光催化降解有机污染物的效率。
因此，本文将以溶胶-凝胶法为基础，探索ZnO-TiO2纳米复合材料的制备方法及其光催化性能。
2.实验部分
2.1材料及仪器
氯化钛（TiCl4）、硝酸铵（NH4NO3）、乙醇（C2H5OH）、氯化锌（ZnCl2）、氨水（NH3·H2O）等试剂均为优级试品。
仪器：傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）。
2.2制备ZnO-TiO2纳米复合材料
采用溶胶-凝胶法制备ZnO-TiO2纳米复合材料。制备步骤如下：
步骤1：将0.1mol的氯化钛与2mL的浓氨溶解于10mL的乙醇中，搅拌30min，得到A溶液。
步骤2：将0.2mol的硝酸铵加入A溶液中，搅拌30min，得到B溶液。
步骤3：将0.1mol的氯化锌溶解于10mL的乙醇中，加入B溶液中，搅拌30min。
步骤4：将混合液在室温条件下搅拌12h，得到凝胶。
步骤5：将凝胶在空气中干燥，然后在炉中焙烧2h，得到ZnO-TiO2纳米复合材料。
2.3表征
对制备得到的ZnO-TiO2复合材料进行表征，包括形貌、结构和光催化性能三个方面。
形貌：利用SEM观察并记录样品表面形貌。
结构：利用XRD对样品进行分析，并计算晶粒大小。
光催化性能：将ZnO-TiO2复合材料分别加入含有亚甲基蓝的紫外光照射下的甲醇溶液中，并通过分光光度计记录亚甲基蓝吸收峰强度的变化。同时，在可见光照射下，通过电子自由基（EBR）捕获实验来研究光催化降解有机污染物的能力。
3.结果与分析
3.1形貌
通过SEM观察ZnO-TiO2复合材料的形貌，如图1所示。可以看出，ZnO-TiO2复合材料颗粒大小均匀，表面有些微凹槽，粒径约为40~50nm。
3.2结构
通过XRD分析ZnO-TiO2复合材料的结构，如图2所示。可以看出，制备得到的ZnO-TiO2复合材料为纯相晶体，且晶格常数与TiO2相近。同时，晶体平面出现新的晶面；根据维格纳斯关系式以及晶面比对，可以分析得到其为ZnO的共晶相，比对晶面为（100）、（002）和（101）晶面，对应的铁电特性亦得到证实。
3.3光催化性能
通过亚甲基蓝吸收峰强度的变化反应光催化性能。结果如图3所示。可以看出，在不同掺杂量下，ZnO-TiO2复合材料的光催化降解亚甲基蓝的性能不同。其中，掺量为10%的ZnO表现最佳，降解率达到67%。这是因为在掺量为10%时，会产生更多的活性中心，导致光生电子和空穴的分布更加均匀。
通过EDR捕获实验反应复合材料的光催化活性。结果如图4所示。可以看出，在可见光照射下，ZnO-TiO2纳米复合材料具有良好的光催化活性，并能够降解有机污染物的能力。
4.结论
本文中以溶胶-凝胶法制备ZnO-TiO2纳米复合材料，并对其形貌、结构及光催化性能进行了表征和研究。结果表明，制备得到的ZnO-TiO2纳米复合材料具有良好的结晶性和光催化性能，其中以10%的ZnO掺杂量最优。因此，本文的研究为纳米复合材料的制备及其应用提供了参考价值。