浙江省大学生化学竞赛创新课题

ZnO和稀土Ce掺杂ZnO微纳米材料的制备及其应用研究

水是生命之源、生产之要、生态之基。浙江是著名水乡，习近平同志在浙江工作期间，多次对治水工作作出重要指示和部署，一再强调要用科学发展的理念和方法来研究用水治水节水工作，认真抓好安全饮水、科学调水、有效节水、治理污水等“四水工程”建设。2013年11月29日浙江省委十三届四次全会倡议“五水共治”，提出把水质指标作为硬约束倒逼转型，确保绿色发展、持续发展。

有机染料是一种重要的精细化工产品，与人类的衣食住行密切相关，但其生产过程中产生的废水已成为当前主要的水体污染源之一，与色度、COD、BOD 等水质指标密切相关。因此，开发高效、经济、简单、快速的有机染料污染处理方法，一直深受各界关注。

光催化反应是利用光能进行物质转化的方式，是化合物在光和光催化剂协同作用下所进行的化学反应，是当前有望解决日益严重的废水污染问题的新型方法之一。ZnO是一种常见的光催化剂，作为典型的II-VI族直接带隙n型半导体材料，其室温禁带宽度为3.37 eV，在波长小于387 nm的紫外光照射下，可激发产生光生电子-空穴对，生成羟基自由基（?OH）和超氧自由基（?O2–）等具有强氧化能力的活性自由基，应用于光催化反应。但是，ZnO受禁带宽度限制只能吸收太阳光中占极少数的紫外光，致使其对太阳能的利用率较低；同时，ZnO在光照下产生的光生电子-空穴对易发生复合，从而限制其光催化活性。因此，提高ZnO对光的吸收范围，降低电子-空穴对的复合率，是提升ZnO光催化性能的关键所在。稀土元素掺杂是改善ZnO光催化性能的有效方法之一，稀土元素具有特殊的4f电子层结构，掺杂后会产生较多的电子能级来捕获光生电子和空穴，从而抑制光生电子-空穴对的复合，提高材料的光催化活性；此外，稀土元素本身可吸收紫外和可见光区的电磁辐射，也有利于提高ZnO对光能的利用率。

本竞赛课题选择稀土元素Ce对不同形貌的ZnO进行掺杂，探讨其对水体中不同类型有机染料的光催化降解性能。

一、具体要求如下：

1. 合成由2-甲基咪唑和锌离子构筑的ZIF-8金属有机框架微纳米材料，通

过高温热解方法制备ZnO微纳米材料，标记为ZnO-A。

2. 通过其他的合成策略，制备一种与1中ZnO-A不同形貌的ZnO微纳米材料（如纳米棒等），标记为ZnO-B。

3. 考察并比较两种ZnO微纳米材料对三种典型的有机染料罗丹明B、亚甲基蓝或甲基橙（任选其中一种有机染料即可）的光催化降解性能。

4. 根据3的研究结果，选择催化降解性能较好的其中一种ZnO微纳米材料，进行稀土Ce掺杂，进一步考查稀土Ce掺杂的ZnO微纳米材料作为催化剂对该染料的光催化降解性能的影响，探讨影响光催化降解性能的可能因素，探索催化剂分离/回收方法和循环应用中的催化稳定性，并与ZnO微纳米材料的催化性能进行综合对比。

5. 选择降解效果较好的材料分析表征：

(1) X射线粉末衍射仪（XRD）分析制备的ZnO材料以及稀土Ce掺杂的ZnO 材料的晶型结构；

(2) 扫描电镜（SEM）观察催化剂的表面形貌；

(3) 利用相应的光谱技术分析溶液中染料降解的结果，如紫外可见吸收光谱等；

(4) 选择合适的测试仪器分析Ce掺杂的ZnO材料中Ce和Zn元素组成，例如：元素分析，X-射线光电子能谱（XPS），X-射线能谱（EDX）等；

(5) 氮气吸附-脱附测试催化剂的BET比表面积。

建议：表征方式(1)、(2)、(3)、(4)必选；(5)根据需要选取。

二、考评基本要求：

1. 文献综述：根据查阅的文献进行综述，学生、指导教师签名后，与参考文献原文首页（限10篇）一起装订成册。

2. 实验方案设计：查阅文献后设计实验方案，作为研究报告的一部分。

3. 实验记录：要求使用竞赛专用记录纸（可从网站上下载）。记录包括：实验日期、实验原理、实验内容、实验方法和仪器、实验现象、实验结果等等，学生、指导教师签名后装订成册（所有实验的原始数据需清晰记录在案，以备后期查阅考证）。

4. 研究报告：完成研究报告，学生、指导教师签名后装订成册。

5. 《文献综述（仅附参考文献目录）》、《研究报告》的电子稿转换成PDF 格式于7月25日24点之前上传到浙江省大学生化学竞赛网（https://www.sodocs.net/doc/6114968591.html,）。（上述材料不得出现参赛单位、个人和指导老师的信息，如在材料中发现有上述信息则直接取消参赛资格）。

6. 将装订成册的《文献综述（10篇参考文献原文首页附后）》、《实验记录》、《研究报告》各6份，以及装袋并贴好标签后的ZIF-8（1份）、ZnO-A（1份）、ZnO-B（1份）、稀土Ce掺杂的ZnO微纳米材料（1份），一同于决赛答辩时带给组委会。