氧化锌复合材料的制备及光催化降解有机污染物性能研究

来源 :西南交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ananluo2009
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传统的n型半导体ZnO因具有优良的光电性能和较低的成本等优点,使其在光催化领域有着良好的应用前景。但ZnO禁带宽度为3.37 e V,只能在紫外光波段(λ<400nm)被激发产生电子和空穴,而紫外光能量占比不到太阳光总能量的5%,极大的降低了材料对太阳能的利用效率。此外,ZnO光生电子-空穴在迁移过程中易发生复合,极大的限制了ZnO的光催化活性。因此,为了提高ZnO光催化效率,本文制备了Ag2O/ZnO、Ag/AgCl/ZnO和ZnO/ACF复合材料,研究了不同反应体系对材料结构、形貌、光学特性和光催化性能的影响。本文主要工作内容如下:1.通过简单的水热法制备了Ag2O/ZnO复合半导体材料,实现了宽禁带半导体与窄禁带半导体的复合,通过控制反应浓度和温度研究了其对结构、形貌、光学性能和光催化性能的影响,并探讨了Ag2O/ZnO复合半导体材料的光催化降解机理。实验结果表明:当反应温度固定为120℃,Ag+/Zn2+摩尔比为2:8时制得的S3样品在紫外光下具有最佳的光催化活性,紫外光照射100 min对MO溶液降解率可达98.4%,而单相ZnO在相同实验条件下的光催化降解效率仅为18.3%;Ag+/Zn2+摩尔比为4:8时的S4样品在可见光下具有最佳的光催化活性,可见光下照射200 min可降解97.1%的MO分子,并且在5次循环降解实验后,其物相结构和光催化活性没有发生明显变化,对MO溶液降解率仍能达到88.3%,说明Ag2O/ZnO在可见光下具有良好的稳定性。通过对Ag2O/ZnO复合半导体材料光催化降解机理的探索,发现羟基自由基(.OH)和超氧自由基(.O2-)是参与光催化反应的主要活性基团。2.以ZnO为载体,硝酸银(Ag NO3)为银源,稀盐酸(HCl)为沉淀剂,通过光还原法制备了具有可见光响应能力的Ag/AgCl/ZnO三元催化剂,研究了不同光还原时间对其光催化性能的影响,并对其光催化机理进行了分析。实验结果显示,基于Ag的等离子体共振效应(SPR),催化剂的光响应范围拓展至可见光区。并且随着光还原时间的增加,样品中光还原生成的Ag单质数量不断增加,Ag/AgCl/ZnO三元催化剂的光催化效率呈现先增加后降低的趋势。当光还原时间为15 min时得到的三元催化剂具有最佳的降解效率,可见光照射200 min对MO溶液脱色率为99.4%。3.以酸化ACF为载体,采用浸渍-水浴法制备了集光催化与吸附性于一体的ZnO/ACF复合材料,并考察了生长液温度对复合材料性能的影响。结果表明:ACF经酸化处理后成功引入了羟基和羧基等基团,改善了ACF基体的亲水性,并且没有明显改变ACF的微观形貌和结构。ACF的引入极大提高了ZnO的光吸收能力,抑制了光生电子-空穴的快速复合,ZnO/ACF对挥发性气态甲苯的去除率明显高于ACF基体,且随着生长液温度的增加,ZnO/ACF复合材料光催化活性呈现先增加再降低的趋势。生长液温度为80℃制得的ZnO/ACF(S3)复合材料有最佳的光催化降解效率,在可见光照射6 h后对甲苯的降解率可达70.5%,并且对苯和乙苯均表现出较高的光催化活性。
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