不同形貌ZnO材料的制备及光催化性能研究

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可溶性有机染料废水因其有机污染物浓度高、色度深会对水环境造成严重的污染。这些有机污染物由于种类繁多,组成复杂,自然降解难度大等种种原因,一直被视为废水处理中的难点和重点。在各种处理技术中,光催化技术可以直接将具有毒性的有机污染物分解为无毒的小分子物质,从而达到去毒、脱色的效果。因此,光催化技术受到了国内外专家学者的广泛关注。一直以来,半导体金属氧化物被视为高效的光催化剂,其中较常见、研究较多的两种是TiO2和ZnO。有研究显示,ZnO具有比TiO2更高的光催化活性,加之ZnO廉价易得、无毒无害、生物兼容性好等优点,使其成为大规模水处理的合适选择。根据文献报道,ZnO的光催化活性受到很多因素的影响,如晶粒尺寸、晶体形貌、表面缺陷及结晶度等等,而这些因素在很大程度上与ZnO的制备条件和方法相关。本文以硝酸锌、柠檬酸和氢氧化钠为原料,采用溶胶-凝胶辅助水热法制备了不同形貌的ZnO样品。研究了溶液初始pH、水热时间、水热温度、反应物配比等因素对ZnO结构与形貌的影响。以制备的ZnO样品为光催化剂,以活性翠兰KGL溶液模拟可溶性有机染料废水,测定了制备样品的光催化活性。(1)通过调节水热溶液的初始pH至11、12、13和14,采用溶胶-凝胶辅助水热法制备了孪生棒状、孪生盘状、球状和片花状ZnO。对制备样品进行了XRD、SEM、UV-vis和PL表征,光催化活性通过降解活性翠兰KGL进行测试。实验结果表明:片花状ZnO在40min内对活性翠兰KGL溶液的降解率达到98.7%,优于其他三种形貌ZnO和商用ZnO。原因可以归结于特殊的片花状形貌和表面缺陷。基于实验结果,提出了不同形貌ZnO可能的生长机理。(2)配制一定比例的硝酸锌与柠檬酸溶液,在水热温度120C,水热时间17h条件下采用溶胶-凝胶辅助水热法制备了三维片花状氧化锌样品。利用XRD、FESEM、TEM和SEM对样品的物相和结构形貌进行了分析。结果显示,每个“花”的直径在2-3μm。并且,每个“花”是由许多厚度在30nm左右的纳米片作为“花瓣”组成的。研究了水热时间和水热温度对ZnO形貌的影响,提出了片花状ZnO可能的生长机理。另外,对样品进行了光催化降解活性翠兰KGL溶液的测试。(3)改变硝酸锌和柠檬酸的配比,采用溶胶-凝胶辅助水热法制备了长度为3μm,直径为1μm的梭状氧化锌样品。利用XRD、TEM和SEM对样品的物相和结构形貌进行了分析。研究了水热时间对ZnO形貌的影响,提出了梭状ZnO可能的生长机理。对不同水热时间制备的样品进行了光催化降解活性翠兰KGL溶液的测试,结果表明,水热时间4h时制备的球状ZnO光催化活性高于17h制备的梭状ZnO样品,这可能与样品的形貌及晶体缺陷有关。(4)以Na2S为硫源,通过直接沉淀法制备的ZnS颗粒,在不同温度下煅烧ZnS制备ZnO样品。样品的物相与形貌通过XRD、EDS、SEM和TEM进行表征。样品的光催化活性通过降解活性翠兰KGL溶液进行评估。实验结果显示,在400C-800C温度范围内,ZnS逐步转化为ZnO。700C下煅烧2h制备的ZnO样品粒径为45nm并且具有最高的光催化活性,在40min内对活性翠兰KGL溶液的降解率达到97.1%。这可能与样品的晶粒尺寸、比表面积、氧缺陷浓度等有关。
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