浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2022, 56(3): 476-484 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.03.006

机械工程、能源工程

ZnO/g-C3N4光催化剂在微流控芯片中的光催化性能

刘桦珍,, 周昊,

浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027

Photocatalytic performance of ZnO/g-C3N4 composite photocatalysts in microfluidic reactors

LIU Hua-zhen,, ZHOU Hao,

State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

通讯作者: 周昊，男，教授. orcid.org/0000-0001-9779-7703. E-mail： zhouhao@zju.edu.cn

收稿日期: 2021-03-26  

基金资助: 国家自然科学基金创新研究群体项目(51621005)

Received: 2021-03-26  

Fund supported: 国家自然科学基金创新研究群体项目(51621005)

作者简介 About authors

刘桦珍（1997—），女，硕士生，从事微流控芯片中的光催化反应研究.orcid.org/0000-0003-2149-0232.E-mail：21827029@zju.edu.cn , E-mail：21827029@zju.edu.cn

摘要

采用浸渍法合成ZnO质量分数不同的ZnO/g-C3N4复合光催化剂，分析样品的结构、形态、化学组成和光学性能等. 将制备好的样品固定到微流控芯片中，降解不同的染料（亚甲基蓝、中性红、孔雀石绿、罗丹明B），评价样品在可见光下的光催化性能. 样品的表征结果表明，在ZnO/g-C3N4复合物中，ZnO、g-C3N4间存在相互作用，ZnO/g-C3N4复合物对可见光的利用更为充分；与g-C3N4相比，在ZnO/g-C3N4复合物中光生电子-空穴对的复合明显被抑制. 光催化实验结果表明，6 % ZnO/g-C3N4具有最佳光催化性能，在光照强度为60 klx，液体流速为20 μL/min时，其对罗丹明B溶液的降解效率为98.9%.多次循环后的光催化降解亚甲基蓝性能研究表明，样品在微流控芯片中进行光催化降解实验具有稳定性和可靠性.

关键词： ZnO/g-C3N4复合材料 ; 光催化技术 ; 微流控芯片 ; 降解染料

Abstract

The ZnO/g-C3N4 composite photocatalysts with different mass fractions of ZnO were synthesized by a simple impregnation method. The structure, morphology, chemical compositions and optical properties of the samples were analyzed. The as-prepared samples were fixed to microfluidic reactors, respectively. The photocatalytic performance of these reactors was evaluated by the degradation of different dyes (methylene blue, neutral red, malachite green, and rhodamine B) under visible light. The characterization indicated that there was an interaction between ZnO and g-C3N4 in the as-prepared composite. And the composite could make good use of visible light. Also, compared with g-C3N4, the recombination of photogenerated electron-hole pairs in the composite was obviously inhibited. The results of photocatalytic experiments displayed that 6% ZnO/g-C3N4 exhibited the best photocatalytic performance compared to other mass fractions of ZnO. When the light intensity was 60 klx and the liquid flow rate was 20 μL/min, the degradation efficiency of rhodamine B solution reached 98.9%. The photocatalytic degradation of methylene blue by multiple cycle tests was also studied, indicating the sample's stability and reliability when conducting photocatalytic degradation experiments in microfluidic reactors.

Keywords： ZnO/g-C3N4 composite ; photocatalytic technology ; microfluidic reactor ; degradation of dye

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本文引用格式

刘桦珍, 周昊. ZnO/g-C3N4光催化剂在微流控芯片中的光催化性能 . 浙江大学学报(工学版)[J], 2022, 56(3): 476-484 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.03.006

LIU Hua-zhen, ZHOU Hao. Photocatalytic performance of ZnO/g-C3N4 composite photocatalysts in microfluidic reactors . Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2022, 56(3): 476-484 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.03.006

经济发展和人口增长使不可再生化石燃料的消耗大大增加，由此带来了一系列能源消耗和生态污染问题. 鉴于太阳能是相对稳定、成本低廉、和对环境友好的可再生能源[1-2]，近年来利用太阳能的半导体光催化技术（如清洁能源生产[3-4]、空气净化[5]和处理废水[6]）受到广泛的关注. 如TiO2、ZnO是在光催化处理废水中应用最广泛的光催化剂[7-8]. ZnO的带隙约为3.2 eV，具有成本低、无毒性、物理和化学稳定性高等优点[9-10]. 和大多数基于金属的光催化剂一样，ZnO只在紫外线区域具有活性，而紫外线仅占太阳光谱的4%，因此太阳光的利用和光催化性能受到严重限制. 为了开发响应可见光的半导体材料，在ZnO和窄带隙半导体间形成复合光催化剂是有效的策略.

g-C3N4是无毒且新颖的无金属半导体材料，在400~455 nm具有良好的可见光响应，对应于2.7 eV的窄带隙[11]. 它可以通过加热三聚氰胺、双氰胺或尿素制备. 2009年Wang等[12]报道g-C3N4对可见光照射下水分解产生氢气和氧气具有很高的光催化活性，随后g-C3N4在光催化处理废水[13]和CO2还原[14]中的应用也有报道. 光生电子-空穴对的高复合率，纯g-C3N4的光催化活性受到其光生电子-空穴对的高复合率的限制，因此必须对g-C3N4进行改性以提高其光催化效率，Cao等[15]的研究表明将g-C3N4与另一种半导体构建异质结是有效的方法. Liu等[16]通过高温煅烧制备N掺杂的ZnO/g-C3N4复合材料，这种材料可以利用更多的可见光，并且通过有效的界面电荷分离和传输来提高光催化性能. Wang等[17]通过溶剂热法制备CoS2/g-C3N4-rGO复合材料，该材料具有更宽的太阳光谱范围和更高的电荷分离效率，优化的光催化剂在2 h内对Cr (VI)的去除效率达到99.8% (pH=2).

光催化反应的高效进行不仅与光催化剂类型有关，也与光催化反应器的设计和制造有关. 传统的光催化降解实验在大规模反应器中进行，光源位于反应器的底部，催化剂分散在待降解溶液中，不均匀的光分布会降低反应效率，而且在反应后的催化剂分离和回收中增加成本[18-19]. 为了解决这些问题，有必要设计高性能的光反应器，光流体学成为反应器设计的新方法. 微流控技术在化学分析、生物医学分析和药物筛选等方面取得的巨大成功，充分证明其在集成平台中处理颗粒、流体和光的优异性能[20]. 将光学和微流体技术相结合，即构成微型反应器（微流控芯片）：非常小的通道使通道中的废水暴露于均匀光照下，将催化剂固定在微通道中可以提供较大的表面积/体积比，有利于实现高的光子和质量传递. Lei等[21]设计平面式的光微流反应器，反应腔室由2个涂覆TiO2光催化剂的载玻片作为上盖和底板，所制备的反应器在5 min内降解了30%的亚甲基蓝（methylene blue，MB）溶液（浓度为3×10−5 mol/L，体积为3 mL），反应速率常数（2.2 min−1）比传统反应器高2个数量级. 但是目前研究所用的光催化剂主要为基于TiO2的半导体材料，因此有待扩大光催化剂的选择范围，更充分地利用可见光波段.

本研究以硫脲（CH4N2S）和乙酸锌（Zn(OOCCH3)2·2H2O）为原料，通过浸渍法合成ZnO/g-C3N4复合光催化剂，研究复合材料的形态结构和光学性能. 将复合材料固定到微流控芯片中，以MB为目标污染物，评价ZnO质量分数不同的复合材料在微流控芯片中的光催化降解性能，验证设计的可行性和稳定性. 分析和评价ZnO/g-C3N4复合材料对中性红（neutral red, NR）、孔雀石绿（malachite green, MG）、罗丹明B（rhodamine B, RhB）等染料的光催化降解性能.

1. 实验部分

1.1. 光催化剂的制备

硫脲（AR, 99%)购置于上海麦克林生化科技有限公司，乙酸锌（AR, ≥99%) 购置于国药集团试剂有限公司. 通过在高温下煅烧硫脲制备g-C3N4光催化剂. 称取10 g的硫脲置于带盖的坩埚中，将坩埚放入马弗炉中，升温速率设置为5 ℃/min，在520 ℃煅烧2 h[22]. 冷却至室温后取出坩埚，研磨产物得到深黄色样品. ZnO样品由乙酸锌在400 ℃煅烧2 h得到. ZnO/g-C3N4复合材料通过浸渍法制备，具体流程如下. 将不同质量的乙酸锌分别溶解到无水乙醇中，加入0.25 g的g-C3N4，搅拌混合后在60 ℃蒸发溶液，在真空干燥箱中80 ℃干燥过夜，再将样品放入马弗炉中400 ℃煅烧2 h. 通过这种方法，得到质量分数分别为3%、6%、9%、12%、15%的ZnO/g-C3N4复合光催化剂，将其研磨后收集并依次标号为3% ZnO/CN、 6% ZnO/CN、9% ZnO/CN、12% ZnO/CN、15% ZnO/CN. 其中CN为g-C3N4样品标记.

1.2. 样品的表征

利用X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）仪（PANanalytical XPert 3，荷兰）测得样品的物相结构，X射线源为Cu Kα射线（λ1=1.5406 Å, λ2=1.5444 Å），扫描范围为10°~80°（步长为0.026°/s），工作电压、工作电流分别为40 kV、40 mA. 使用配备有X射线能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM, 日立S-3700N，日本）观察样品的形态、微观结构和化学组成，加速电压为20 kV. 利用傅里叶红外光谱仪（FT-IR, Nicolet iS10，美国）测得样品的红外谱图，使用KBr压片，频率为4000~400 cm−1. 利用X射线光电子能谱仪（XPS，VG ESCALAB Mark II，美国）测定样品的表面元素、化学状态，配备双阳极X射线源（Al Kα、Mg Kα），采集样品中不同元素的分谱，所有的结合能通过C1s信号（284.6 eV）作为参考进行校准. 用紫外-可见光分光光度计（UV-3600，日本）测得样品的紫外-可见漫反射光谱（DRS），以BaSO4作为参比样品. 样品的光致发光（PL）光谱通过稳态瞬态荧光光谱仪（爱丁堡FLS980，英国）测定，激发波长为365 nm.

1.3. 微流控芯片的设计

微流控芯片采用基于默里定律设计的仿生微通道[23]，将光催化剂和制备微通道（即反应腔室）的原材料进行预混合，使催化剂均匀的固定在反应表面. 如图1所示为微流控芯片的实物图和微通道的设计图. 微流控芯片由加载光催化剂的微通道和玻璃基底组成. 反应腔室的尺寸为10000 μm× 10000 μm× 100 μm（体积为10 μL）. 该反应器的表面积与体积比约为20000 m2/m3，远远大于传统反应器. 反应器入口/出口处的微通道遵循仿生原理，使溶液在反应器中的流动更为均匀[23]（使用聚四氟乙烯（PTFE）管和针头注入/收集溶液）.

图 1

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图 1   微流控芯片的实物图和微通道的设计图

Fig.1   Photo of microfluidic reactor and design of microchannels


1.4. 微流控芯片的制备

聚二甲基硅氧烷（PDMS, 道康宁184）是包含基本组分与固化剂的双组分硅橡胶，使用时基本组分与固化剂按照10∶1的重量比混合. SU-8负性光刻胶购于MicroChem有限公司. 微流控芯片的制备过程如图2所示，主要分为3个步骤. 1）通过标准紫外光刻法制备母模. 旋涂SU-8负性光刻胶到硅片上，将涂好的硅片放到加热板上进行前烘，再于紫外光刻机下，盖上打印的掩膜，约曝光1.5 min，继续烘烤硅片，之后将硅片放入显影液中，得到微通道的母模，进行后烘去除显影液. 2）通过母模形成PDMS腔室. 将PDMS的基本组分与固化剂按照10∶1的重量比混合，加入一定量溶于乙醇溶液中的ZnO/g-C3N4复合催化剂，混合均匀、脱除气泡，于加热板上烘烤，固化后揭下PDMS腔室. 3）微流控芯片的封装. 将PDMS腔室和玻璃基底同时放入等离子清洗机中改性，结束后快速将两者键合，用打孔器对进出口打孔，继续烘烤一段时间.

图 2

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图 2   微流控芯片的制作过程

Fig.2   Fabrication process of microfluidic reactor


1.5. 光催化性能的评价

通过在可见光下观察MB、NR、MG、RhB水溶液的降解，评价制备复合材料的光催化活性，光催化降解实验在微流控芯片中进行. MB、MG和RhB水溶液的质量浓度均为10 mg/L，NR水溶液的体积浓度为2 mL/L. 如图3所示为光催化实验系统示意图. 光源为配备了420 nm截止滤光片的300 W的卤钨灯. 使用照度计（PP730，日本）收集光照强度数据. 待降解溶液通过注射泵（Pump 11 Elite）注入微流控芯片中，随后已降解的溶液通过管路流入收集容器. 使用可见光分光光度计（7320G，中国）测定降解前后的溶液在特征波长MB （λ=664 nm）、NR （λ=530 nm）、MG （λ=617 nm）、RhB （λ=553 nm）处的吸光度. 实验设备均在正式开始实验前运行1 h来达到吸附-解吸平衡. 为了保证结果的可靠性，每组实验运行3次.

图 3

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图 3   实验系统示意图

Fig.3   Schematic diagram of experimental system


2. 结果与讨论

2.1. 结构分析

如图4所示为制备的CN、ZnO和不同质量分数ZnO/g-C3N4复合物的XRD谱图. 图中，Ir为相对强度， 2θ为衍射角.可以看出，CN有2处明显的衍射峰，对应的2θ=13.0°、27.4°. 在27.4°处的强衍射峰由共轭芳香体系的层间堆叠形成，对应CN的(0 0 2)晶面，平均层间距离d=0.326 nm[24-25]. 在13.0°处的弱衍射峰由3-s-三嗪单元的面内结构堆积形成，对应CN的(1 0 0)晶面，d=0.675 nm[26]. ZnO在2θ=31.7°、34.3°、36.2°、47.5°、56.5°、62.8°、67.9°、69.0°处观察到的衍射峰分别对应(1 0 0)、(0 0 2)、(1 0 1)、(1 0 2)、(1 1 0)、(1 0 3)、(1 1 2)、(2 0 1)晶面，表明其六方纤锌矿晶相（JCPDS No.36-1451）[27]. 除了3% ZnO/CN样品外（可能由于ZnO的掺杂量较低），其他ZnO/CN复合物同时出现CN、ZnO的特征衍射峰. 随着ZnO质量分数的增加，ZnO的衍射峰也增强，同时CN的衍射峰变弱，说明在这2种材料间发生了相互作用，证实成功制备了ZnO/g-C3N4复合材料. 在XRD图中没有观察到新的晶相，表明所制备的复合材料纯度高.

图 4

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图 4   制备的CN, ZnO和ZnO/CN复合物XRD谱图

Fig.4   XRD patterns of prepared CN, ZnO, ZnO/CN composites


2.2. 形态分析

如图5所示，CN、ZnO和6% ZnO/CN复合物的表面形貌通过SEM表征，对6% ZnO/CN复合物进行能谱分析. 图中，E为X射线能量. 图5 （a）中CN呈现出片状结构，并且较为蓬松，存在一些孔隙. 由图5 （b）可以看出，ZnO由分散、不规则的球形颗粒组成. 由图5 （c）可以看出，6% ZnO/CN复合材料显示出与CN相似的表面形态，其上附着球形ZnO颗粒. 由图5 （d）可进一步确认6% ZnO/CN复合材料的元素组成为C、N、O、S、Zn，证实ZnO成功负载，其中少量的S元素来自CN的前驱体硫脲.

图 5

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图 5   CN、ZnO和6% ZnO/CN的SEM图和6% ZnO/CN的EDS图

Fig.5   SEM images of CN, ZnO and 6% ZnO/CN and EDS image of 6% ZnO/CN


2.3. FT-IR分析

如图6所示为CN、ZnO和6% ZnO/CN复合物的FT-IR谱图. 图中Tr为透过率，Wn为波数. 在CN的FT-IR光谱中，主要有3个部分的特征吸收峰：在808 cm−1处的吸收峰与三嗪单元的弯曲振动有关[28]；在1241~1636 cm−1的吸收峰归因于C—N杂环的伸缩振动[29]；在3177 cm−1周围的宽吸收带归因于未缩合的氨基的N—H振动和吸附的水分子的O—H振动[30-31]. ZnO在500 cm−1附近有1处主要吸收峰，这对应Zn—O的拉伸振动[32]. 在3 000~3 700 cm−1处的宽吸收峰是由于O—H拉伸，1 640 cm−1附近的吸收峰是由于O—H弯曲所致[33]. 可以看出，6% ZnO/CN光催化剂同时包含ZnO、CN共2种材料的特征吸收峰，在808 cm−1附近和1241~1636 cm−1的吸收峰意味着CN的存在，500 cm−1附近的吸收峰由ZnO引起.

图 6

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图 6   CN、ZnO和6% ZnO/CN光催化剂的FT-IR谱图

Fig.6   FT-IR spectra of CN, ZnO and 6% ZnO/CN photocatalysts


2.4. XPS分析

利用XPS技术分析CN、ZnO和6% ZnO/CN复合物的表面组成和阐明各个元素的化学状态. 如图7所示为CN、ZnO和6% ZnO/CN的高分辨率光谱. 图中，BE为结合能. 图7 （a）中6% ZnO/CN光催化剂的Zn2p结合能分别为1022.3、1045.1 eV，高于纯ZnO的结合能（1022、1044.8 eV）. 图7 （b）CN的C1s光谱出现2个特征峰，在284.6 eV处的特征峰与杂质碳有关，即在测试过程中由仪器引入的碳，288.1 eV处的特征峰对应于N=C—N键. ZnO仅存在杂质碳的特征峰. 6% ZnO/CN复合物的C1s光谱出现2个特征峰，但是与CN的C1s结合能位置不同. 6% ZnO/CN复合材料的N1s峰移动到398.6 eV （图7 （c））. 图7 （d）中ZnO的O1s峰值可以归因于ZnO中O2−的存在，6% ZnO/CN复合材料中的O 1s的结合能数值也略高于纯ZnO的结合能数值. ZnO/CN复合材料与单一光催化剂的XPS数据的差异表明ZnO和CN之间的相互作用，这有利于2种半导体间的电荷转移.

图 7

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图 7   CN、ZnO和6% ZnO/CN的高分辨率光谱

Fig.7   High resolution XPS spectra of CN, ZnO and 6% ZnO/CN


2.5. 光学性能分析

在图8中通过UV-vis DRS光谱，分析CN、ZnO和6% ZnO/CN复合物的光学性能. 图中，Abs为吸收率，w为波长，F为Kubelka-Munk函数（K-M函数），Eg为带隙能量. 如图8 （a）所示. ZnO在紫外光区域显示出本征吸收峰，吸收边缘在400 nm附近，CN在可见光区域有明显的吸收，吸收边缘在475 nm附近. 图8 （b）通过K-M函数确定CN、ZnO的带隙，计算可得CN的禁带宽度约为2.63 eV，ZnO的禁带宽度约为3.13 eV，与文献[22]、[34]的报道一致. 6% ZnO/CN复合物的吸收边缘相对于纯的ZnO有明显的红移，表明在可见光区域的吸收得到改善，意味着有望更充分地利用可见光从而提高其光催化活性.

图 8

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图 8   CN、ZnO和6% ZnO/CN复合物的光学性能分析

Fig.8   Optical properties analysis of CN, ZnO and 6% ZnO/CN composites


2.6. 光致发光研究

PL光谱由光生电子和空穴的复合引起，因此PL分析可以揭示合成样品中载流子的分离和转移效率. 如图9所示为在室温下具有365 nm的激发波长下观察到的CN和不同质量分数的ZnO/CN的PL发射光谱.可以看出，CN在450 nm附近具有很强的发射峰. 相比较CN，ZnO/g-C3N4复合材料的PL强度明显下降，表明ZnO的加入抑制了光生电子-空穴对的复合速率[35]. 6% ZnO/CN的PL强度最低，意味着复合材料更有效的光生电子-空穴对分离和转移.

图 9

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图 9   激发波长为365 nm时CN、ZnO/CN复合材料的PL谱图

Fig.9   PL spectra of CN, ZnO/CN composites excited at 365 nm


2.7. 光催化降解MB

当研究微流控芯片中的光催化反应时，液体流速的影响至关重要. 流速越低，溶液在反应腔室的停留时间越长，具体公式为有效停留时间=反应室体积/流速. 在本实验中，反应室体积为10 μL，设置流速为10~75 μL/min，对应的停留时间分别为60、45、30、15、8 s. 如图10所示为不同流速对光催化降解MB性能的影响，光照强度为50 klx. 图中，Q为降解效率，v为流速. 对于同一光催化剂，随着流速的增加（停留时间的降低），光催化降解效率降低. 当流速为10 μL/min时，光催化降解效率最高，此时的停留时间最久，意味着为光催化降解提供了更多反应时间. 对于不同质量分数的ZnO/CN复合物，光催化降解效果也各有不同. 当流速为75 μL/min时，由于停留时间过短，这些催化剂的降解效率都很低. 在其他流速下，随着ZnO质量分数的增加，光催化降解效率先升高后降低，综合而言，6% ZnO/CN表现出最好的降解效率（在流速为10 μL/min时，降解效率为65.4%）. 当ZnO的质量分数更高时，光催化性能有所下降，原因是较高的剂量导致复合材料的团聚，减少了光催化活性位点. 另外，空白实验表明，在没有光催化剂负载或者没有光照的条件下，没有检测到MB的降解.

图 10

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图 10   不同流速下的光催化降解MB性能（光强：50 klx）

Fig.10   Effect of flow rate on photocatalytic degradation efficiency of MB solution (light intensity: 50 klx)


光照强度也是影响光催化降解效率的关键因素之一. 因此，通过光催化降解MB实验研究光照强度对所提出的微流控芯片的影响. 如图11所示为在光照强度依次为50、55、60、65 klx，流速保持在20 μL/min时光催化降解MB的降解效率. 图中，Li为光照强度. 对于同一光催化剂，随着光照强度的增加，光催化效率有明显的提升. 这可以解释为在这种光强度范围内（50~65 klx），入射光子能量的增加对提高光催化降解效率有利，光照强度的增加可以为光催化降解实验提供更多的光生空穴. 对于不同质量分数的ZnO/CN复合物，随着ZnO质量分数的增加，光催化降解效率的变化趋势是先升高后下降的. 6% ZnO/CN的光催化降解效率最高（在光照强度为65 klx时，降解效率为85.8%）. 总之，可以通过调节流速和光照强度来很好地控制合成样品在微流控芯片中的光催化降解性能.

图 11

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图 11   不同光照度下的光催化降解MB性能（流速：20 μL/min）

Fig.11   Effect of light intensity on photocatalytic degradation efficiency of MB solution (flow rate: 20 μL/min)


在实际的应用中，光催化剂的循环利用是衡量光催化效果的重要指标. 如图12所示，对6% ZnO/CN复合物进行5次的光催化降解实验，单次连续运行时间为90 min，每次只更新MB溶液，不更换微流控芯片. 图中，Lt为照射时间. 可以观察到，经过5个周期的降解实验后，6% ZnO/CN复合光催化剂的降解效率没有显著降低，降解效率仍在60%以上，证实ZnO/CN复合光催化剂的稳定性. 微流控芯片的不可逆失活归因于光催化剂的结垢，在光催化降解过程中，生成的反应中间体被吸附在催化反应表面[36]，这会抑制光催化反应速率，从而降低降解效率.

图 12

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图 12   光催化降解MB循环实验（光强：60 klx，流速：20 μL/min）

Fig.12   Cycle runs of photocatalytic degradation MB solution experiment (light intensity: 60 klx, flow rate: 20 μL/min)


2.8. 光催化降解其他染料

在可见光照射下不同质量分数的ZnO/CN光催化剂对NR、MG、RhB染料溶液的光催化降解，降解效率如图13所示. 图中， $ \omega $为在ZnO/CN复合物中ZnO的质量分数. 在光强为60 kLux，流速为20 μL/min时，不同光催化剂对染料溶液的降解效率均超过90%，几乎完全降解. 对于同一催化剂，比较其对不同染料的降解效率：RhB>MG>NR，原因可能是染料的性质和分子结构的不同. 6% ZnO/CN的降解效率最高，相同条件下对RhB、MG和NR的降解效率依次为98.9%、97.5%和96.4%. 6% ZnO/CN的高的光催化性能也与DRS和PL分析相一致，即合适质量分数的ZnO与CN复合后，提高了在可见光范围内的吸收，并且明显地抑制了光生电子-空穴对的复合，有利于改善光催化性能.

图 13

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图 13   不同催化剂的光催化降解NR, MG和MB性能（光强：60 klx，流速：20 μL/min）

Fig.13   Photocatalytic degradation of NR, MG and MB solution with different photocatalysts (light intensity: 60 klx, flow rate: 20 μL/min)


3. 结　语

以硫脲和乙酸锌为原料，通过浸渍法合成具有不同ZnO质量分数的ZnO/g-C3N4复合材料，并将其加载到微流控芯片中；通过光催化降解MB、NR、MG、RhB等染料，评价样品在可见光下的光催化性能；通过XRD、SEM、FT-IR、XPS、UV-vis DRS等技术表征样品的结构形态和光学性能. 光催化降解实验结果表明，当ZnO的质量分数为6%时，ZnO/g-C3N4表现出最佳光催化性能，其对MB、NR、MG、RhB的降解效率依次为85.8%、96.4%、97.5%和98.9%. 6% ZnO/g-C3N4的低PL发射强度反映出光生电子-空穴对的复合率降低，可能的原因是其光催化降解效率较高. 研究不同液体流速和光照强度对设计的反应器的影响，结果表明降低流速和增加光照强度可以提高降解效率. 连续5次的循环实验证实光催化剂和反应器的稳定性. 研究结果有望进一步扩展到其他光催化系统.

参考文献

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