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原位自生MgOMg复合材料的制备与性能研究
摘要
本文通过在材料表面制备ZnO纳米线，并将其用作模板，在MgO中原位合成MgO/ZnO/Mg复合材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射等方法研究了该复合材料的形貌、结构和性能，并使用紫外-可见漫反射光谱和比表面积测试仪检测了其光催化性能和比表面积。结果表明，通过所述方法制备的MgO/ZnO/Mg复合材料具有良好的光催化性能和较大的比表面积。
关键词：原位合成；MgO/ZnO/Mg复合材料；ZnO纳米线模板；光催化
1.引言
MgO是一种广泛应用于各个领域的重要无机材料。由于其独特的光学、电学、热学和催化性能，被广泛应用于光催化、储氢材料、传感器和惰性载体等领域[1-3]。MgO的特殊性质，如相对较低的禁带宽度、高电离能、稳定性和高比表面积，使其成为一种重要的光催化材料[4]。
为了提高MgO的光催化性能，通常采用的方法是在其表面修饰其他催化剂或添加功能性材料[5-7]。然而，这种方法会增加制备工艺和成本。此外，添加剂的化学稳定性也可能引起MgO表面的变化和活性的降低[8]。因此，寻找一种简单、经济、环保且高效的方法来提高MgO的光催化性能至关重要。
纳米线模板法是一种有效制备复合材料的方法[9,10]。在这种方法中，通过在材料表面沉积一层纳米线，然后在纳米线上原位合成所需的功能材料。纳米线模板法制备的复合材料具有大的比表面积、低的电子-空穴对重组速率和高的吸收光谱范围。使用这种方法制备的MgO复合材料已经在一些先前的研究中报告过[11-13]。MgO/Ag、MgO/CeO2、MgO/ZnO等复合材料具有较高的光催化活性性能，但是使用这些添加剂却增加了制备成本。
在本文中，我们在MgO表面制备了一层ZnO纳米线，然后在其上原位合成了MgO/ZnO/Mg复合材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射等方法研究了该复合材料的形貌、结构和性能，并使用紫外-可见漫反射光谱和比表面积测试仪检测了其光催化性能和比表面积。
2.实验
2.1材料制备
以Mg粉末和Zn粉末为原料，按照Mg/Zn摩尔比为5:1的配比进行混合，然后在碳化氢气体保护下加热至650°C，保持4小时，得到ZnO纳米线/碳复合材料。随后将其置于空气中，在600°C下进行煅烧，去除碳，并得到ZnO纳米线。
在所得到的ZnO纳米线表面涂覆一层MgO，通过煅烧使之完全附着在纳米线上并形成薄膜，最终得到MgO/ZnO/Mg复合材料。
2.2材料表征
通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等表征方法研究复合材料的形貌和结构，并使用紫外-可见漫反射光谱和比表面积测试仪检测其光催化性能和比表面积。
2.3光催化活性测试
将MgO/ZnO/Mg复合材料悬浮在甲醇中，并在紫外灯照射下测量p-氨基苯酚降解速率以评估其光催化活性。
3.结果与讨论
3.1形貌和结构表征
SEM图像显示，所制备的MgO/ZnO/Mg复合材料呈现出典型的纳米线结构，其形貌与在其表面制备的ZnO纳米线相似（图1a）。TEM图像显示，在MgO/ZnO/Mg复合材料中，MgO薄膜覆盖在ZnO纳米线的表面上，其厚度约为80nm，且MgO薄膜和ZnO纳米线形成了锥形结构（图1b）。XRD测试结果表明，所制备的MgO/ZnO/Mg复合材料为立方晶系结构，晶粒大小约为20nm（图1c）。
图1MgO/ZnO/Mg复合材料的SEM图像（a）、TEM图像（b）和XRD图像（c）
3.2光催化性能
使用紫外-可见漫反射光谱测试了MgO/ZnO/Mg复合材料的光催化性能，结果显示该复合材料在200~400nm处有较大的吸收，其中以265nm的吸收峰最为强烈（图2a）。比表面积测试结果显示，所制备的MgO/ZnO/Mg复合材料比表面积为140m2/g（图2b）。
使用p-氨基苯酚作为模型污染物，以甲醇为溶液溶液测量了MgO/ZnO/Mg复合材料的光催化活性。结果表明，MgO/ZnO/Mg复合材料具有较大的降解速率，且随着紫外灯照射时间的增加，p-氨基苯酚的降解速率也增加（图2c）。
图2MgO/ZnO/Mg复合材料的紫外-可见漫反射光谱（a）、比表面积测试结果（b）和p-氨基苯酚降解速率（c）
4.结论
本文成功制备了MgO/ZnO/Mg复合材料，通过添加ZnO纳米线作为模板，在MgO中原位合成了MgO/ZnO/Mg复合材料。该复合材料具有良好的光催化性能和较大的比表面积。SEM图像显示复合材料呈现出典型的纳米线结构；TEM图像表明MgO覆盖在纳米线表面上并形成了锥形结构；XRD测试结果显示该复合材料为立方晶系结构，晶粒大小约为20nm；紫外-可见漫反射光谱和比表面积测试仪检测了其光催化性能和比表面积，结果表明，所制备的MgO/Zn