一步溶剂热法合成高催化性能的Gd^3+掺杂氧化锌纳米晶体  

One-step Solvothermal Synthesis of Gadolinium(Ⅲ)-doped Zinc Oxide Nanoparticles with Enhanced Photocatalytic Activity

作　　者：于晓晨[1] 党快乐 宋泽钰 李华健 曹欣 吴俊 樊继斌[1] 段理[1] 赵鹏[1] YU Xiaochen;DANG Kuaile;SONG Zeyu;LI Huajian;CAO Xin;WU Jun;FAN Jibin;DUAN Li;ZHAO Peng(School of Materials Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710061,China)

机构地区：[1]长安大学材料科学与工程学院,西安710061

出　　处：《材料导报》2020年第14期14003-14008,共6页Materials Reports

基　　金：中国博士后科学基金(2016M602746);中央高校基本科研业务费专项基金(CHD300102310501);中国大学生创新创业训练计划(S201910710287,201910710572);国家自然科学基金项目(61604016)。

摘　　要：近年来,ZnO作为性能优异的光催化剂受到广大研究者的密切关注。它是一种宽带隙半导体,禁带宽度为3.37 eV,具有良好的稳定性。但也不可避免地存在一些不足,如光生电子空穴复合率太高、光能利用率太低等。为进一步提高ZnO的光催化降解活性,研究者们对其进行了一系列改性。其中,掺杂是一种行之有效的方法,它可以通过调控ZnO禁带宽度、晶体结构和缺陷利用,进而提高光催化性能。本工作采用具有特殊电子结构的稀土离子钆(Gd)作为掺杂剂,研究了其对ZnO晶体结构、形貌及光催化性能的影响。通过一步溶剂热法合成了纯氧化锌(ZnO)和不同Gd^3+掺杂浓度的ZnO纳米颗粒。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、比表面积分析、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、紫外-可见(UV-vis)吸收光谱和光致发光(PL)光谱等手段对所得样品进行了表征。光催化降解实验以20 mg/L罗丹明B为模拟污染物,在300 W氙灯光源下进行。同时也分析了Gd^3+掺杂氧化锌纳米颗粒的光催化机理。实验结果显示,稀土Gd掺杂后ZnO晶体结构没有发生改变,仍为六方纤锌矿结构。在Gd^3+浓度较低时,Gd^3+进入ZnO晶格,取代部分Zn 2+或进入间隙位置;但是当Gd^3+浓度达到3 mol%时,检测到了少量Gd 2O 3的衍射峰,可能的原因是两种离子的半径和化合价存在差异,ZnO晶格难以容纳较多的Gd^3+。同时,Gd离子掺杂引起ZnO衍射峰位置向低角度偏移,晶胞参数发生变化,这也进一步证实Gd^3+进入到了ZnO晶格中。观察样品的形貌发现,Gd离子掺杂对ZnO纳米颗粒的生长有较强的抑制作用,使得晶粒尺寸相比纯ZnO有较明显的减小,这主要是由于稀土离子掺杂后会在ZnO表面形成Re-O键,抑制ZnO的生长,通过XRD结果计算也可得出同样的晶粒尺寸变化趋势。比表面积测试发现掺杂Gd离子后ZnO的比表面积显著提高,暗示着更多的反应活性位点和更强的吸附污Doping has been proven effective in enhancing the catalytic activity of nanoscale zinc oxide(ZnO)to photocatalyzed reactions.In this paper,we report a facile and effective approach of synthesizing gadolinium(Ⅲ)-doped ZnO nanocrystals with high photocatalytic activity.This one-step solvothermal method uses zinc acetate and Gd(NO)3·6H 2O as raw materials,and the Gd^3+concentrations of the products can be controlled by changing the amount of Gd(NO)3·6H 2O.X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM)indicated smaller particle size and more prominent agglomeration of the products with higher Gd^3+content,which was also supported by the Brunauer-Emmett-Teller(BET)gas adsorption measurement result.The obtained UV-vis absorption spectra proved that the absorption edges of the Gd^3+-doped ZnO nanocomposites red-shifted and the band gaps became narrower compared to pure ZnO.Finally,according to the photocatalytic experiment results,Gd^3+-doped ZnO nanoparticles exhibit enhanced activity toward the photocatalyzed degradation of Rhodamine-B under simulated sunlight irradiation.

关 键 词：氧化锌(ZnO)纳米晶体 光催化 掺杂 三价钆 溶剂热法 罗丹明B 

分 类 号：TQ12[化学工程—无机化工]