Fe掺杂ZnO纳米薄膜的制备与光催化性能研究.docx

Fe掺杂ZnO纳米薄膜的制备与光催化性能研究
摘要：
本文研究了Fe掺杂ZnO纳米薄膜的制备和光催化性能。采用溶胶-凝胶法制备了Fe掺杂ZnO纳米薄膜，并对其结构、形貌和光催化性能进行了表征。结果表明，Fe掺杂ZnO纳米薄膜在紫外光照射下具有优异的光催化降解能力，降解率达到80%以上。该研究为Fe掺杂ZnO光催化材料的应用提供了新的思路和研究基础。
关键词：Fe掺杂ZnO，纳米薄膜，溶胶-凝胶法，光催化性能
引言：
光催化技术是一种绿色环保的治水方法，具有高效、无二次污染等优点，在环境领域得到广泛应用。ZnO是一种具有良好光催化性能的半导体材料，但ZnO的光催化效率较低，主要是由于其光吸收范围窄和电荷复合速度快等因素。近年来，研究人员发现通过掺杂其他元素可以有效提高ZnO的光催化活性和稳定性，Fe是一种常用的掺杂元素。
实验部分：
1.实验材料
氯化锌（ZnCl2）、氧化铁（Fe2O3）、正丁醛（C4H9CHO）、环己酮（C6H10O）和乙醇（C2H5OH），均为分析纯。
2.制备过程
(1)溶液的制备：分别称取3.94gZnCl2和0.06gFe2O3溶于50mL无水乙醇中，经搅拌成均相溶液A；60mL无水乙醇中加入适量正丁醛和环己酮调节pH值，经搅拌成均相溶液B。
(2)溶胶-凝胶法合成：在室温条件下，将溶液A滴加到溶液B中，经过搅拌混合，形成沉淀。将沉淀分散到有机溶液中，经过超声处理，形成均相溶液。将均相溶液倒入载玻片上，通过旋涂和有机热解法制备Fe掺杂ZnO纳米薄膜。
3.表征方法
使用X射线衍射仪（XRD）对样品的晶体结构进行表征；使用扫描电子显微镜（SEM）对样品的形貌进行表征；使用紫外-可见光谱仪（UV-Vis）测试样品的吸收光谱；使用紫外光反应器测试样品的光催化性能。
结果与分析：
1.结构和形貌
XRD测试结果表明Fe掺杂ZnO纳米薄膜具有Wurtzite结构，晶面朝向为（101），（100）和（002），且典型的ZnO晶面特征峰比较弱，表明纳米晶的尺寸较小。
SEM测试结果表明所制备的纳米薄膜具有纳米片状结构，片状纳米晶的尺寸约为50~100nm左右，分布均匀。
2.光学性质
UV-Vis测试表明纳米薄膜在紫外光区域表现出较强的吸收峰。掺杂Fe可以引起ZnO纳米薄膜的晶格畸变，改变其能带结构，从而扩大其吸收光谱范围，增强其光学性能。
3.光催化性能
通过紫外光反应器测试了Fe掺杂ZnO纳米薄膜的光催化性能。实验结果表明，在紫外光照射下，Fe掺杂ZnO纳米薄膜具有较好的光催化降解能力，对甲基橙的降解率达到80%以上。
讨论：
通过溶胶-凝胶法制备了Fe掺杂ZnO纳米薄膜，并对其光学性能和光催化性能进行了表征。研究结果表明，Fe掺杂ZnO纳米薄膜具有较高的光催化活性，可以有效降解有机污染物。其原因是Fe掺杂可以引起ZnO纳米薄膜的晶格畸变，扩展其吸收光谱范围，并且生成的Fe离子能够吸附在ZnO表面，提高电子的联系度，促进光生电子和空穴的分离，有效增强了其光催化活性。因此，Fe掺杂ZnO纳米薄膜具有广阔的应用前景。
结论：
本文采用溶胶-凝胶法制备了Fe掺杂ZnO纳米薄膜，并对其结构、形貌和光学性质进行了表征。研究结果表明，Fe掺杂ZnO纳米薄膜具有出色的光催化降解性能，其降解率可以达到80%以上。这为Fe掺杂ZnO纳米材料在环境净化和可持续发展等领域的应用提供了新的思路和研究基础。