[论文解读] Cu:ZnO deposited on porous ceramic substrates by a simple thermal method for photocatalytic application

Dikra Bouras, Abla Mecif+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2018

Advanced Photocatalysis Techniques参考文献 27被引用 14

一句话总结

本研究通过高压釜中简单的热法，在本地黏土与氧化锆制成的多孔陶瓷基底上制备了铜掺杂的ZnO薄膜。多孔结构提升了光催化效率，在7小时内实现90.5%的有毒染料降解率，其中氧化锆掺杂的基底优于未掺杂基底，归因于其通过可控多孔性带来的更大比表面积。

ABSTRACT

Thin films of undoped zinc oxide (ZnO) and doped ZnO with copper were deposited on ceramic pellets made from abundant local clay materials with an addition of zirconia (ZrO2). The thin layers were prepared by a thermal method using an autoclave. The resulting structural and morphological properties of the products were studied in order to determine the effectiveness of their photocatalytic activities. X-ray diffraction, Scanning Electron Microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy and UV-visible spectrophotometry were used in this goal. An application test was carried out to quantify the photocatalytic degradation of a toxic organic dye by these samples under UV light. In similar conditions, the layers deposited on the ceramics with addition of zirconia have shown better performances than those without zirconia. This result can be related to the porosity created when the zirconium oxide reacted with SiO2 of the clay. The open porosity observed on this type of substrate allows a larger surface for the photocatalysis. The degradation rate of the dye reached 90.5 % during a period of 7 hours with Cu doped ZnO thin layers deposited on porous substrates modified with addition of ZrO2.

研究动机与目标

• 开发一种利用本地可获取黏土材料制备低成本、可扩展的光催化ZnO薄膜的方法。
• 研究铜掺杂对ZnO薄膜光催化性能的影响。
• 评估氧化锆添加在提升黏土基陶瓷基底孔隙率和比表面积方面的作用，以增强光催化活性。
• 优化ZnO薄膜的结构与形貌特性，实现高效紫外光驱动染料降解。

提出的方法

• 采用高压釜中高温高压的热法，在陶瓷基底上沉积ZnO及铜掺杂ZnO薄膜。
• 陶瓷基底由本地黏土制成，并添加不同量的氧化锆（ZrO2）以实现可控多孔性。
• 利用X射线衍射（XRD）进行结构表征，以确认晶体结构和相纯度。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）进行形貌分析，以评估表面纹理和孔隙率。
• 利用能谱分析（EDS）验证元素组成及掺杂效率。
• 通过紫外-可见分光光度法量化光催化活性，监测紫外光照射下有毒有机染料的降解过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 铜掺杂如何影响沉积在多孔陶瓷基底上的ZnO薄膜的光催化效率？
• RQ2 氧化锆添加对黏土基陶瓷基底的孔隙率和比表面积有何影响？
• RQ3 基底孔隙率如何影响有机染料在紫外光下的降解速率？
• RQ4 在高压釜中采用简单热法能否在低成本基底上制备出高效且可扩展的光催化ZnO薄膜？

主要发现

• 在黏土基陶瓷基底中添加氧化锆显著提高了孔隙率，为光催化反应提供了更大的比表面积。
• 在氧化锆改性基底上沉积的铜掺杂ZnO薄膜，在紫外光照射7小时内实现了90.5%的有毒有机染料降解率。
• XRD分析证实了ZnO的纤锌矿结构，且铜成功固溶进入ZnO晶格。
• SEM图像显示氧化锆掺杂基底具有多孔且相互连接的微结构，有助于提高光吸收和反应物传质。
• EDS结果证实铜在ZnO基体中分布均匀，支持有效掺杂。
• 与非多孔基底上的未掺杂ZnO相比，氧化锆掺杂基底上的Cu:ZnO光催化性能更优，凸显了掺杂与基底工程之间的协同效应。