PVP质量对Cd0.5Zn0.5S制备和光催化性能的影响
郑丹丹, 常薇, 刘改改, 席强     
西安工程大学 环境与化学工程学院, 陕西 西安 710048
摘要: 针对染料废水对环境污染日益严重的问题,以PVP为包覆剂,运用共沉淀法合成Cd0.5Zn0.5S材料.通过红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)和电子扫描电镜(SEM)表征PVA质量对Cd0.5Zn0.5S形貌、结构的影响.通过降解亚甲基蓝(MB)和罗丹明B(RhB)对其光催化性能进行研究.结果表明,PVP质量为0.35g的Cd0.5Zn0.5S材料的光催化降解效果最好.
关键词: 硫锌镉     共沉淀法     光催化    
Effect of quality of PVP on preparation of Cd0.5Zn0.5S and photocatalytic performance
ZHENG Dandan, CHANG Wei, LIU Gaigai, XI Qiang     
School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China
Abstract: In view of the increasingly serious environmental pollution caused by dye wastewater, Cd0.5Zn0.5S material is successfully synthesized by coprecipitation method by using PVP as the coating agent. The effects of the quality of PVP on the morphology structure and crystal morphology of the prepared materials were studied and characterized by IR, XRD and SEM. The results show that the photocatalytic degradation of Cd0.5Zn0.5S material with PVP quality of 0.35g is the best.
Key words: Cd1-x ZnxS    coprecipitation method    photocatalysis    
0 引言

水资源的污染日益严重, 危害人类的健康, 水处理问题备受关注[1-2].光催化氧化已被证明是一种氧化能力强、选择性小、处理效率高、无二次污染的水处理方法, 所以寻求光催化活性高且稳定性好的光催化剂是解决水处理问题的核心.Cd1-xZnxS固溶体作为一类具有直接宽带隙的半导体类光催化剂, 伴随Cd使用量的增加, 其禁带宽度从3.1 eV逐渐降低到2.3 eV[3-6], 正是由于其较合适的禁带宽度, 能够较好地使用太阳光中一定量的可见光以及一部分的近紫外光, 而且它具有廉价易得、化学稳定性强和抗光腐蚀的优点[7], 被广泛用于光催化领域[8-9].目前制备Cd1-xZnxS固溶体的方法有水热法[10]、微波辅助法[11]、油相热分解法[12]和共沉淀法等, 其中共沉淀法[13-14]反应条件温和, 对设备要求不高, 体系化学均匀性好.PVP具有优异的溶解性、低毒性、化学稳定性, 可与多种化合物结合生成络合物[15-18], 但用作包覆剂的研究却不常见.因此以不同质量的PVP作为包覆剂, 通过共沉淀法合成了Cd0.5Zn0.5S材料, 并研究了所制备材料光催化降解有机染料的性能.

1 实验 1.1 试剂与仪器

(1) 试剂    醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O, 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司); 醋酸镉(Cd(CH3COO)2·2H2O, 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司); 硫代乙酰胺(CH3CSNH2, 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司); 氢氧化钠(NaOH, 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司); 丙酮(CH3COCH3, 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司); 聚维酮(PVP, (C6H5NO)n, 分析纯, 德国BASF化工公司).

(2) 仪器    电子天平(AL204, 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司); 恒温磁力搅拌器(94-2, 上海梅颖浦仪器制造有限公司); 旋转蒸发仪(RE-2000B, 上海亚荣生化仪器厂); 低速离心机(TGL-16G, 上海安亭科学仪器厂); 光催化反应仪(BL-GHX-V, 西安比朗生物科技有限公司); 真空管式炉(BTF-1500C, 安徽贝意克设备技术有限公司); 自动程控烘箱(DGG-9070BD, 杭州卓驰仪器有限公司); 超纯水机(Milli-Q Reference, 美国默克密理博公司); 红外光谱仪(Frontier, 铂金埃尔默仪器有限公司); X射线衍射分析仪(Dmax-Rapid Ⅱ, 日本理学(Rigaku)株式会社); 紫外可见分光光度计(UV-2450, 上海精密科学仪器有限公司).

1.2 Cd0.5Zn0.5S的制备

准确称取0.35 g, 0.70 g, 1.05 g的PVP(聚乙烯醇吡咯酮), 分别加入75 mL蒸馏水, 搅拌使其完全溶解, 待溶液澄清透明后, 加入20 mL 0.1 mol/L的Zn(CH3COO)2和20 mL 0.1 mol/L的Cd(CH3COO)2溶液, 边加边搅拌.用NaOH调节溶液的pH至8~9, 加入20 mL 0.2 mol/L的CH3CSNH2溶液; 60 ℃恒温并搅拌5 h, 停止反应后室温陈化12 h; 得到的Cd0.5Zn0.5S纳米粒子溶液用旋转蒸发仪浓缩后, 加入丙酮并搅拌, 待其出现沉淀后静置, 离心, 用丙酮清洗固体3次后放入真空干燥箱45 ℃下烘干, 得到样品Cd0.5Zn0.5S(将PVP质量0.35 g, 0.70 g, 1.05 g制得的材料分别标为CZS1, CZS2, CZS3).

1.3 光催化性能测试

光催化降解实验在具有石英夹套和通过循环水冷却的光化学反应仪中进行, 其中氙灯和反应器的前表面之间的距离固定为8 cm.利用300 W氙灯作为光源, 通过降解亚甲基蓝和罗丹明B测试所制备材料的光催化性能.

首先, 配制浓度为2×10-5mol/L的亚甲基蓝溶液, 置于250 mL容量瓶中储存, 称取30 mg所制备的样品于试管中, 并设置一组空白对照, 分别量取30 mL亚甲基蓝水溶液于各试管中, 放置于光催化反应仪中.然后在暗室搅拌吸附60 min, 使其达到良好的分散性和吸附-脱附平衡, 打开光源, 每隔15 min取样一次, 离心分离, 取上清液在668 nm测定亚甲基蓝溶液的吸光度A.亚甲基蓝溶液浓度变化用C/C0表示, C0为亚甲基蓝初始浓度, C表示降解之后的亚甲基蓝浓度.采用同样方法测试样品对罗丹明B的降解性能, 在554 nm处测定罗丹明B溶液的吸光度.

2 结果与讨论 2.1 红外光谱分析

图 1为Cd0.5Zn0.5S材料的红外光谱图, 波数1 641处为C=O的伸缩振动, 波数1 571处为C=C伸缩振动, 波数1 402处为C—H弯曲振动, C=O, C=C和C—H吸收峰的存在, 说明包覆剂PVP的存在; 此外1 009处为Cd—S或Zn—S键, 无其他吸收峰表明制备产品纯度较高.

图 1 Cd0.5Zn0.5S的红外光谱图 Figure 1 The infrared spectra of Cd0.5Zn0.5S
2.2 XRD分析

图 2为所制备材料的XRD图.从图 2可以看出, 在2θ值为26.73(002), 44.13(110) 和52.3(201) 处有3个衍射峰, 与Cd1-xZnxS标准卡片(PDF#40-0836) 相符, 确定所制备的材料是Cd1-xZnxS纳米材料.材料衍射峰的角度基本不变, 说明PVP质量对材料的晶型影响较小.

图 2 Cd0.5Zn0.5S的XRD图 Figure 2 XRD of Cd0.5Zn0.5S
2.3 SEM分析

图 3为所制备材料的SEM图.从中看出当PVP质量较小时, 材料表面比较光滑, 呈球状; 当PVP质量增加时, 材料呈现块状, 这是由于陈化温度为室温, 粒子的定向聚集能力较低.随着PVP质量的增加, 粒子易粘连成块状, 材料的空隙减小, 不利于与染料溶液的充分接触, 光催化活性有所降低.

图 3 Cd0.5Zn0.5S的电镜图 Figure 3 SEM of Cd0.5Zn0.5S
2.4 光催化性能分析

图 4为样品光催化降解亚甲基蓝的曲线图.由图 4看出, 所制备材料对亚甲基蓝表现出较好的吸附性能, 光照下, 由于材料表面发生了光生电子和空穴的分离, 产生超氧负离子和氢氧自由基, 它们均具有很强的氧化性, 故降解速度加快, 75 min时降解率均接近100%.图 5为样品光催化降解罗丹明B的曲线图, 所制备材料对罗丹明B表现出较好的吸附性能, 光照下, 所制备材料对罗丹明B均表现出一定的光催化降解性能, 其中CZS1的光催化降解效果最佳.综合来看, CZS1对所选两种染料的光催化降解效果最好.

图 4 Cd0.5Zn0.5S材料对亚甲基蓝的催化降解图 Figure 4 Catalytic degradation of Cd0.5Zn0.5S material to methylene blue
图 5 Cd0.5Zn0.5S材料对罗丹明B的催化降解图 Figure 5 Catalytic degradation of Cd0.5Zn0.5S material to Rhodamine B
3 结束语

以PVP做包覆剂, 通过共沉淀法合成了不同质量的PVP Cd0.5Zn0.5S材料.经XRD分析, PVP质量对材料的晶型影响很小; SEM分析得出随着PVP质量增加, 材料呈块状, 在染料溶液的分散性稍有减小; 光催化结果表明, PVP质量为0.35 g Cd0.5Zn0.5S材料对有机染料的催化降解效果最好.

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郑丹丹, 常薇, 刘改改, 席强
ZHENG Dandan, CHANG Wei, LIU Gaigai, XI Qiang
PVP质量对Cd0.5Zn0.5S制备和光催化性能的影响
Effect of quality of PVP on preparation of Cd0.5Zn0.5S and photocatalytic performance
西安工程大学学报, 2017, 31(4): 451-455
Journal of Xi′an Polytechnic University, 2017, 31(4): 451-455

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收稿日期: 2017-01-18

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