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纳米氧化锌制备及其光催化、抗菌性能研究
摘要
本文采用溶胶-凝胶法制备纳米氧化锌（ZnO），并通过紫外光还原法制备N-dopedZnO。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）等测试手段对所得样品进行了表征，并考察了其在光催化和抗菌方面的性能。结果表明，溶胶-凝胶法成功制备了尺寸均匀的ZnO纳米颗粒，N-dopedZnO比ZnO表现出更好的光催化性能，对大肠杆菌等菌株也表现出更强的抗菌能力。
关键词：纳米氧化锌，溶胶-凝胶法，N掺杂，光催化，抗菌性能
Abstract
Nanocrystallinezincoxide(ZnO)wassynthesizedbythesol-gelmethod,andN-dopedZnOwaspreparedbyUVlightreduction.TheobtainedsampleswerecharacterizedbyX-raydiffraction(XRD),scanningelectronmicroscopy(SEM),transmissionelectronmicroscopy(TEM),andFouriertransforminfraredspectroscopy(FT-IR).Thepropertiesofthesamplesinphotocatalysisandantibacterialwereinvestigated.TheresultsshowedthatZnOnanoparticleswithuniformsizeweresuccessfullypreparedbythesol-gelmethod.N-dopedZnOdisplayedbetterphotocatalyticperformanceandstrongerantibacterialabilityagainstEscherichiacoliandotherstrainsthanZnO.
Keywords:Nanocrystallinezincoxide,sol-gelmethod,N-doped,photocatalysis,antibacterialproperties
引言
纳米氧化锌（ZnO）是一种应用广泛的半导体材料。由于其特殊的光催化和抗菌性能，在污水处理、环境保护和医药等领域有着重要的应用。ZnO的光催化活性主要源于其具有的广泛的能带结构和好的可见光吸收能力。ZnO的抗菌性能则主要系其能不断释放出氧（O）离子、制止生物代谢并损伤菌体壁等。因此，制备高效的ZnO纳米颗粒并研究其性质及构效关系对于深入研究其应用和开发新型材料有着重要的意义。
实验
1.材料
氯化锌(ZnCl2,99.9%)、法莫曼碱（NH4OH）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）均购自Sigma-Aldrich（美国）。
2.方法
2.1ZnO样品制备
溶胶-凝胶法是制备ZnO的常规方法之一，本文采用该方法制备纳米ZnO。在实验中，以0.02M浓度的氯化锌水溶液为原料，并与等体积的PVP溶液混合。1ml法莫曼碱（AMOH）溶液滴加到混合物中，同时用搅拌棒搅拌混合至透明溶液形成。透明溶液倒入容器中，在80°C下固化24h，然后浸泡在75%乙醇中，反复洗涤后干燥，最终得到ZnO粉末样品。
2.2N掺杂ZnO样品制备
ZnO样品表面通过UV还原处理，加入N原子掺杂，从而得到N掺杂ZnO样品。ZnO样品放置于UV灯下照射30min，再加入2mL2MNH4NO3溶液中，用超声处理20min，最后浸泡于80℃水中，反复洗涤后干燥得到N掺杂ZnO样品。
3.测试
3.1样品表征
我们通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）等手段对所得样品进行表征。XRD分析得到所得ZnO和N掺杂ZnO均为六方晶系，并且晶粒尺寸较小（40-50nm）；SEM和TEM结果表明所得ZnO和N掺杂ZnO样品粒径均匀，无明显的聚集现象；FT-IR谱图显示样品中出现了新的氮氢键峰。
3.2光催化性能测试
我们使用甲基橙（MO）和蒙脱石绿（MG）溶液作为模型污染物，测试纳米ZnO样品在紫外光照射下的光催化性能。实验结果表明，N-dopedZnO比ZnO表现出更好的光催化性能。在可见光照射下，N-dopedZnO处理MO和MG的效果更好。
3.3抗菌性能测试
我们使用大肠杆菌等菌株进行抗菌性能测试。结果表明，N-dopedZnO比ZnO表现出更强的抗菌能力。这是因为N-dopedZnO的N原子可以替代氧原子，从而对菌体产生更好的杀菌效果。
结果
通过溶胶-凝胶法成功制备了尺寸均匀的ZnO纳米颗粒，通过UV还原法成功制备了N-dopedZnO。XRD、SEM、TEM和FT-IR等测试手段表征了