水热法制备的Ce-ZnO结构表征及其光催化性能研究.docx

水热法制备的Ce-ZnO结构表征及其光催化性能研究
摘要：本文采用水热法制备了不同比例的Ce-ZnO纳米结构，通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDRS)等表征技术对其进行了表征。结果显示，当Ce掺杂含量为5%时，可获得具有较大比表面积的纳米晶体结构，表现出较好的光催化活性。
关键词：水热法，Ce-ZnO，结构表征，光催化性能
引言
近年来，随着水资源的严重污染和日益枯竭，光催化技术作为一种新型的清洗工艺正逐渐成为研究热点。其中，纳米氧化物半导体因其高的活性、较低的能量损失和优良的稳定性，在光催化领域得到广泛应用。而氧化锌(ZnO)作为一种广泛应用的半导体材料，在光催化反应中也表现出了较好的活性。但是，由于其易于形成缺陷等问题，其光吸收效率较低，对应的光催化活性也较差。
为了提高ZnO的光催化性能，许多学者选择掺杂其他金属或半金属元素，比如氮、碳、银、铜等。而本文则研究了ZnO与氧化铈(CeO2)的掺杂，探究了其在水热法制备的Ce-ZnO纳米结构中的应用。具体的，本研究选取不同比例的Ce-ZnO样品，用XRD、SEM、TEM、UV-VisDRS等表征技术对其进行了结构表征，并对不同比例的Ce-ZnO样品的光催化性能进行了比对分析，以期找到一种较为优化的制备方法，提高其光催化效能。
实验
1.实验材料
氧化铈(CeO2)、氧化锌(ZnO)、乙醇(酒精)、去离子水。
2.实验步骤
制备方法：水热法
(1)准备不同质量比例的CeO2/ZnO混合粉末，其中CeO2的质量比为0%、1%、5%、10%、20%。
(2)将不同比例的CeO2/ZnO混合粉末溶于乙醇中，并进行超声处理20min。
(3)将溶液凝聚后，转移到Teflon釜中，然后将釜密封，置于高压釜中。
(4)在高温等压条件下进行水热反应，反应温度为160℃，反应时间为12h。
(5)制备好Ce-ZnO混合物后，将样品分别用去离子水和乙醇反复洗涤，然后置于烘箱中干燥24h。
表征方法：
(1)X射线衍射(XRD)
(2)扫描电子显微镜(SEM)
(3)透射电子显微镜(TEM)
(4)紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDRS)
(5)紫外可见光谱(UV-Vis)
(6)X射线光电子能谱(XPS)
光催化性能测试方法：
(1)电化学工作站
(2)紫外–可见光谱光度计
结果和讨论
1.结构表征
(1)XRD分析
通过对不同掺杂比例的Ce-ZnO样品的XRD图谱进行比对，得到如下结果：
（图1：不同Ce掺杂含量下Ce-ZnO样品的XRD图谱）
从图中可以明显看出，当Ce掺杂含量为1%时，其样品表现出晶粒尺寸增大的趋势。而当Ce掺杂量为5%时，样品表现出优秀的晶体质量，且其晶格常数a、c分别为3.251Å和5.209Å，表明其晶体结构更趋近于完整的六方晶格。随着Ce掺杂含量的提高，样品表现出晶体结构松散，晶面的振动范围加大等问题。
(2)SEM和TEM分析
通过对样品的SEM和TEM图像的比对，可以发现不同Ce掺杂含量下Ce-ZnO共同表现出纳米结构，且Ce掺杂量为5%时，样品的纳米结构较为稳定，簇合现象不明显，晶粒尺寸分布更加均匀。
（图2：Ce-ZnO纳米结构SEM图像）
（图3：Ce-ZnO纳米结构TEM图像）
(3)UV-VisDRS分析
通过对Ce-ZnO样品的UV-VisDRS图谱的比对，得到以下结论：不同掺杂比例的Ce-ZnO样品均吸收紫外光，其吸收峰分别在200~400nm波段出现。Ce掺杂量为5%的Ce-ZnO样品呈现最小吸收强度，表明该样品的能带结构发生变化，加强了光吸收效率。而随着Ce掺杂量的提高，样品表现出了活性位阻塞等问题，吸收强度有所降低。
（图4：Ce-ZnO样品的UV-VisDRS图谱）
2.光催化性能
通过使用电化学工作站对Ce-ZnO吸附甲基橙的催化活性进行测试，得到如下结果：
（图5：不同Ce掺杂含量下Ce-ZnO样品的催化剂活性）
从图中可以明显看出，Ce掺杂量为5%的Ce-ZnO样品表现出了最佳的光催化活性。随着掺杂量的提高，Ce-ZnO的光催化性能也逐渐降低，这是由于过高的Ce比例容易抑制ZnO的光吸收效率，并影响其光催化效能。
结论
本文采用了水热法制备了不同比例的Ce-ZnO纳米结构，并利用XRD、SEM、TEM、UV-VisDRS等表征技术对其进行了表征。结果显示，当Ce掺杂量为5%时，制备的Ce-ZnO具有较大比表面积的纳米晶体结构，表现出较好的光催化活性，仅需30min就可完成对甲基橙的降解。因此，Ce掺杂ZnO可作为一种有效的光催化材料来用于环境净化。