溶胶凝胶法制备ZnO-Fe2O3纳米复合材料及其光催化特性
纳米ZnO是一种新型的光催化材料，具有无毒性、低成本、结构稳定、催化效率较高等显著优点。但由于ZnO的禁带宽度为3.2ev，其吸收波长阙值大多在紫外区，同时其载流子复合率高，导致光能利用率低，光降解污染物效果并不显著。 本文以六水合硝酸锌（Zn（NO3）2∙6H2O）与九水合硝酸铁（Fe（NO3）3∙9H2O）为前驱体，无水乙醇（C黑刚玉磨料2H5OH）作为溶剂，柠檬酸为稳定剂，采用溶胶凝胶法制备出ZnO-Fe2O3复合结构的泡沫状光催化剂，用X射线衍射、扫描隧道显微镜（SEM）对其结构进行分析表征。以紫外灯为光源，罗丹明B为目标化合物对其光催化活性进行研究。实验结果表明：
实验所得ZnO-Fe2O3纳米复合材料为六方纤锌矿结构，其平均粒径约为70nm，当Fe（NO3）3∙9H2O与Zn（NO3）2∙6H2O的摩尔比为1:5时，所得产物光催化效率最高。
1.绪论
环境污染与能源匮乏是当今世界科学技术上亟待解决的两大难题，其中环境污染尤以水环境的化学污染为甚，各类重金属盐、亚硝酸盐、磷酸盐等无机污染和杀虫剂、抗生素等有机污染从各个方面对人们的生存状态产生威胁。
自1972年Fujishima和Honda发表有关水在TiO2电极上被光催化分解的论文后，半导体光催化技术从此日益受到重视，许多领域研究工作者都在积极寻新型光电转化半导体材料，研究其光催化反应机理并设法提高光电转化的活性和效率。
目前，半导体光催化降解并消除污染物是一种代表性的节能高效、绿环保的水污染治理技术，其优点主要有：1.以取之不尽用之不竭的太阳能作为主要消耗能源，降低成本；2.大量研究表明很多难降解的污染物都可以在光催化作用下去除，且没有二次污染；3.光催化剂大都可重复利用，无毒，制作成本低；4.可在常温常压下进行反应，操作简便；5.能使污染物除臭、去毒、脱等。同时，以半导体光催化技术为基础制作太阳能电池、光解水产氢、食品保鲜、材料自洁等各方面均有广阔的应用前景。
在众多可作为光催化剂的材料中，具有代表性的是TiO2、ZnO、Fe2O3、SnO2等，都已经被多种方法合成，但是仍然面临着一些关键技术问题：光能利用率低，催化效率不高，催化剂产量不高，成本昂贵等，成为了光催化技术产业化发展的瓶颈。探究光催化反应机理，开发高效、低成本的新型半导体光催化剂，具有十分重要的意义。
1.2纳米ZnO性能
背胶橡皮布
ZnO是一种N型半导体，为II-IV族金属氧化物。在室温下ZnO的能带结构不连续，由充满电子的低能价带和空的高能导带构成，在他们之间以禁带分开，禁带宽度为3.27eV，具有较大的激子结合能(60 meV)，所以ZnO成为蓝光和紫外光区域间的光学材料。 ZnO为极性晶体，存在两种晶体结构，分别是纤锌矿结构和闪锌矿结构，其中以六方纤锌矿结构为稳定相。
当ZnO粒子尺寸介于1-100nm之间时，由于纳米材料表面效应和体积效应，与普通ZnO比较产生防霉、除臭、抗菌、吸波、导电、屏蔽光线等独特性质。纳米ZnO可根据结晶形态分为锐态型和金红石型两种，他们的价带位置相同而导带位置不同，锐态型ZnO粒子带隙较宽，表面羟基含量较高，故而其催化效率强于金红石型。
1.3半导体粒子光催化原理
光照射将半导体价带上的电子激发至导带，从而产生光生电子-空穴对，空穴有强氧化性，电子有强还原性，两者与表面吸附的化合物发生氧化还原反应。 对于ZnO来说，它的禁带宽度Eg为3.2eV，半导体光吸收阈值λg与带隙能的关系为
，故而激发ZnO价带电子跃迁的光波大多在紫外光区。
当能量大于3.2eV的光波照射ZnO时，价带上的电子受到激发，越过禁带进入导带并在价带上产生空穴h+，在离子表面形成氧化还原体系。在与吸附化合物的接触中，将发生一系列反应：太白参
图1：半导体材料光催化降解有机物示意图
苯检测
1.产生载流子
2.俘获载流子
，空穴与水中氢氧根粒子形成羟基自由基
，空穴与水形成羟基自由基与氢离子
，氧气与电子形成过氧根离子
，过氧根离子与氢离子形成超氧自由基
，超氧自由基生成氧气与过氧化氢
，超氧自由基与电子和氢离子反应生成过氧化氢
，过氧化氢与电子生成羟基自由基与氢氧根粒子
，过氧化氢与过氧根离子生成羟基自由基、氧气与氢氧根粒子
3.载流子复合
4.载流子迁移
，有机物被分解为二氧化碳和水
，金属离子被还原
泥鳅工厂化养殖技术1.4纳米ZnO改进机制
目前，TiO2是研究最为广泛的光催化剂，具有光稳定性强、无二次污染、光催化效率较高等优点，ZnO与之相比存在明显不足：
Zn元素只以一种稳定价态Zn2+存在，故而易受到光腐蚀
ZnO是两性氧化物半导体，在强酸强碱溶液中易被溶解
但是ZnO自身也存在TiO2所不具备的优点，如在降解2-苯基苯酚的过程中，ZnO的光降解效率要强于P25TiO2，同时ZnO对有毒的化学物质非常敏感。纳米二氧化钛成本高，生产工艺复杂，纳米二氧化钛具有很好的实际应用前景。
从半导体光催化机制来讲，提高ZnO光催化效率的主要着手点是：
1.缩短禁带宽度。半导体电子能带位置和被吸附物质的氧化还原能力，从本质上决定了半导体的光催化能力。半导体禁带宽度越窄，其能够吸收光波长越长，对可见光的响应度也越好。
2.减小光生电子和空穴的复合率。若光生电子和空穴没有被有机物及时捕获，便会在粒子表面或内部复合，发出荧光或热量，未能与有机物反应，降低催化效率。光生电子和空穴复合率主要与粒子的晶体结构，表面形貌，以及表面积等因素有关。晶格缺陷往往能够成为电子和空穴的捕获中心，抑制两者的复合，提高光催化效率。
3.增大比表面积，可以有效使光催化剂与有机物充分接触，并抑制光生电子与空穴复合。
目前实际应用中改进纳米氧化锌光催化性能的方法有：
1.金属离子掺杂，从而在ZnO导带和价带之间形成杂质能级，减小催化剂禁带宽度，嵌入的金属带可提供和接受激发电子，将半导体吸光范围从紫外光向可见光波段扩展。一般可以通过湿化学法、高温处理法和离子注入法来实现，但有可能会引起二次污染。
2.非金属离子掺杂，主要为氮掺杂。氮掺杂可以引起ZnO晶格缺陷，使其夹带和导带之间形成缺陷能量状态，从而利用能量较低的可见光激发电子，分两步由价带传输到导带，使电荷分离实现可见光响应。虽然仅仅极少量的氮掺杂即可使ZnO发生可见光响应，但经研究表明，其紫外光催化效率往往会有所降低，同时非金属掺杂实验条件要求苛刻，产量低，并不适合大规模工业生产。
3.贵金属表面修饰。当金属沉积到ZnO表面时，光生电子会转移到金属中，而空穴则留在ZnO表面，两者之间存在肖特基势垒，减小电子空穴对复合率；同时改变了半导体能带结构，利于吸收低能光子增加光能利用率。实验中需严格控制金属沉积量，过多则导致沉积点密集造成电子空穴对快速复合。
4.半导体耦合。将ZnO与其他禁带较窄的半导体耦合，改变ZnO晶体结构，当两者能级匹配良好时，光照下光生电子空穴对能够转移到另一种半导体的导带或价带上，实现两者分离，提高ZnO的光催化效率。使用的复合半导体需禁带宽度小于ZnO禁带宽度，才可将催化剂的光响应范围推广到可见光区，同时两者的能级匹配，耦合后半导体导带与价带必须高于或低于ZnO导带与价带，方可使光生电子空穴对有效分离。
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