论文部分内容阅读
光催化能够将光能转化为化学能,从而实现空气的净化和废水中有机污染物的降解。作为该领域研究最多的一种材料,TiO2有着廉价、无毒,不发生光腐蚀,稳定性好,氧化性强等特点,但是,其光量子转换效率低、不能有效利用可见光等,极大限制了它的应用。为寻求活性更高的光催化剂,人们一方面对TiO2的改性进行探索,另一方面尝试以相似材料作为替代。ZnO也是最好的光催化材料之一。本文分别以TiO2和ZnO作为研究体系,采用C60或石墨烯对其进行修饰、改性,旨在利用C60、石墨烯的特殊结构和光电化学性质实现TiO2和ZnO光生载流子的有效分离,从而提高二者的催化活性。主要研究内容如下：以水溶性C60和TiO2胶体为前驱体,利用水热法将不同量的C60引入到TiO2中,得到C60与锐钛矿型TiO2的纳米复合物。以对硝基苯酚为模型污染物,分别考察了在紫外光和可见光照射下,C60/TiO2复合光催化剂的降解活性。结果表明,适量引入C60可以提高TiO2的光催化活性,初步筛选出C60的最佳引入量为0.5wt%。通过荧光光谱、固体漫反射紫外-可见光谱的结果表明,C60可以促进TiO2光生载流子的有效分离,起到传输电子的作用。随后,我们对C60/TiO2纳米复合物的光催化降解机理进行了初步探讨,认为该过程是一种催化的光反应。通过比较不同循环后0.5wt%C60/TiO2复合物光催化降解对硝基苯酚的降解效率,发现C60/TiO2复合光催化剂稳定性较高。另外,通过吸附法制备了水溶性C60与锐钛矿型TiO2纳米复合物,进而对比了这两种方法制备的C60/TiO2对对硝基苯酚的降解活性。结果表明,相对于水热法,吸附法制备的C60/TiO2中处于TiO2表面的C60更有利于TiO2的光生电子向C60的迁移,使其具有更高的光催化活性,但该方法制备的催化剂由于C60容易脱落,稳定性较差。采用简单的无模板水热法成功地制备了不同负载量的C60/ZnO纳米棒复合物。XRD和TEM结果显示,适量引入C60对ZnO棒的晶型和形貌影响不大。以罗丹明B的可见光催化降解考察了C60/ZnO复合物的催化活性,结果说明,C60在复合光催化剂中起到了促进光生电子转移,抑制光生电子与RhB+·之间复合的作用,从而提高ZnO的光催化活性。对比纯ZnO棒,引入C60后ZnO对罗丹明B的吸附量明显提高,这可能是C60引入后ZnO对罗丹明B光催化活性提高的另一原因。结合光催化结果和荧光光谱的结果,说明引入C60后,C60/ZnO复合光催化剂对罗丹明B的降解是一种自敏化的过程。循环实验的结果显示,C60/ZnO复合光催化剂的稳定性高,循环使用7次后仍能达到约90%的降解效率。以石墨烯与TiO2胶体为前驱体,通过溶剂热法合成了石墨烯与锐钛矿型TiO2的复合物。红外光谱显示,在用热还原石墨氧化物法制备石墨烯过程中,石墨烯的结构中引入了羧酸基团,这使得石墨烯能够更好地与TiO2结合,有利于电子的传输。通过考察石墨烯负载TiO2在紫外光下降解罗丹明B的活性,发现,石墨烯的引入量对TiO2纳米粒子的光催化活性影响很大,适量引入石墨烯有利于提高TiO2的光催化活性,其最佳引入量为0.5%。结合荧光光谱的结果可知石墨烯在反应中起到了捕获电子、促进TiO2电子／空穴分离的作用。