Synthesis and Characterization of Metal Doped ZnO Hollow Spheres for Photocatalysis Application

Abstract

Porous Fe, Co and Ce doped ZnO hollow spheres with metal contents of 0%, 0.25%, 0.50%, 0.75% and 1.00% by mole were prepared by hydrothermal method. The obtained samples were investigated by TG-DTG technique to determine the thermal decomposition and subsequently were calcined in air at the temperature of 400, 500 and 600 oC for 2 h. The effects of dopant on the structural, micro-morphological and optical properties were characterized by XRD, TEM, SEM, EDX and UV-visible spectroscopy. The results from XRD showed that all the samples possessed hexagonal wurtzite structure with no impurity phase. SEM images revealed that the obtained samples were porous hollow structure with diameter around 3-4 µm depended on the dopent content and calcination temperature. From TEM technique, the primary particle sizes of all the samples were in nanometer scale. The morphology of the particles was investigated by TEM and the result showed that primary particle of the calcined samples were geometry. The energy gap (Eg) of the sample was evaluated using UV–vis absorption spectra and it found to be in the range of 2.9–3.1 eV. Photocatalytic degradation of methyl orange solution was studied under UVA irradiation. The result showed that mesoporous 0.25% Ce doped ZnO hollow spheres calcined 400 oC exhibited the highest photocatalytic activity with rate constant, k = 24.24×10-3 min-1 compared to the other prepared samples.

ZnO ทรงกลมกลวงพื้นผิวพรุนที่เจือด้วย Fe Co และ Ce ที่ปริมาณของโลหะเป็น 0% 0.25% 0.50% 0.75% และ 1.00% โดยโมลถูกเตรียมด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอล สารตัวอย่างที่เตรียมได้ถูกนำไปตรวจสอบด้วยเทคนิค TG-DTG เพื่ออธิบายการสลายตัวเชิงความร้อนและนำไปแคลไซน์ในอากาศที่อุณหภูมิ 400 500 และ 600 oC เป็นเวลานาน 2 ชั่วโมง ผลกระทบที่เกิดจากเจือสารที่มีต่อโครงสร้างผลึก ลักษณะทางสัณฐาน สมบัติทางพื้นผิว และสมบัติทางแสงถูกศึกษาด้วยเทคนิค XRD TEM SEM BET และ UV-visible spectroscopy จากผลการศึกษาด้วยเทคนิค XRD พบว่า สารตัวอย่างมีโครงสร้างแบบเฮกซะโกนอลเวิร์ธไซต์โดยไม่พบเฟสเจือปน จากภาพถ่าย SEM พบว่า ลักษณะทางสัณฐานของสารตัวอย่างมีลักษณะทรงกลมกลวงพื้นผิวพรุนโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3-4 ไมโครเมตร ขึ้นอยู่กับปริมาณการเจือและอุณหภูมิในการแคลไซน์ จากการตรวจสอบด้วยเทคนิค TEM พบว่าสารตัวอย่างทั้งหมดมีขนาดอนุภาคเดี่ยวอยู่ในระดับนาโนเมตร เมื่อพิจารณาลักษณะทางสัณฐานจากเทคนิค TEM พบว่าอนุภาคเดียวของสารตัวอย่างที่ถูกแคลไซน์มีรูปทรงเรขาคณิตหลายเหลี่ยม ขนาดช่องว่างแถบพลังงานของสารตัวอย่างที่ได้จากการวิเคราะห์สเปคตรัมการดูดกลืนด้วยเทคนิค UV-vis พบว่ามีค่าอยู่ในช่วง 2.9-3.1 อิเล็กตรอนโวลต์ ผลจากการศึกษาการย่อยสลายโมลกุลเมทิลออเรนจ์ในน้ำภายใต้รังสียูวีเอ พบว่าทรงกลมกลวงพื้นผิวพรุนในระดับเมโส ZnO ที่เจือด้วย Ce 0.25% ที่ผ่านการแคลไซน์ที่อุณหภูมิ 400 องศาเซลเซียส มีค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา 24.24×10-3 นาที-1 ซึ่งมีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลซิสมากที่สุดเมื่อเทียบกับสารตัวอย่างอื่น