铜掺杂、管状及修饰银的Zn1-xCuxO的合成和光催化降解亚甲基蓝的研究

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光催化技术降解污染物因其最终分解产物为简单无机物、CO2和水,无二次污染而受到广泛关注。ZnO是一种重要的n型半导体功能材料,具有较宽的带隙,能够吸收紫外光。对纳米ZnO作为光催化剂降解污染物的研究证明:通过对ZnO进行各种元素的掺杂和与其他催化剂组成复合型催化剂,可提高其光催化降解效率,同时还可提高催化剂对可见光的吸收,从而使这类催化剂能更好地利用太阳光,有可能实现工业化的废水处理。因纯ZnO在催化降解时主要吸收紫外光,其降解效率也低于TiO2。为了改善其催化性能,我们提出利用Cu掺杂获得Zn1-xCuxO样品,通过碱处理获得比表面大的管状结构Zn1-xCuxO样品,最后利用ZnO在紫外光辐照下的自催化反应在其表面修饰上一定量的Ag金属粒子,使样品在可见和近红外区的吸收明显增强,可更有效地利用太阳光进行光催化降解反应。而关于管状Cu掺杂ZnO复合金属银的光催化剂的合成及催化性能方面的研究还鲜有报道,开展此研究具有理论研究价值和很好的应用前景。  本文第一章主要概述了现阶段纳米ZnO的应用研究、合成方法以及在光催化降解有机物方面的应用,并对本课题的提出、研究意义和主要研究内容进行了概述。第二章主要描述了纳米ZnO、Cu掺杂的Zn1-xCuxO、管状Zn1-xCuxO以及Ag修饰的管状Zn1-xCuxO合成方法及其性质表征,通过XRD、SEM、PL(光致荧光)、BET、DRS(漫反射光谱)等分析手段获得了样品的各种性质特性,从SEM图可以看到Zn1-xCuxO样品呈棒状、随Cu掺杂量的增加,长径比减小,BET减小。Zn1-xCuxO样品经碱处理后呈现管状,BET增大;再经自催化修饰上Ag后形成表面粗糙,沉积有Ag簇的管状Zn1-xCuxO/Ag样品。XRD谱图显示Zn1-xCuxO中没有发现CuO的特征衍射峰,Zn1-xCuxO/Ag样品证实有立方晶体结构的金属Ag沉积。由漫反射分析得出Cu的掺杂使ZnO的带隙能Eg有所减小。但金属Ag簇在样品表面的沉积使得Zn1-xCuxO/Ag样品对光的吸收由原来ZnO样品的只吸收紫外光(<400nm)大幅扩展到在整个可见到近红外区域,即大幅提高了样品对光的吸收率,有利于光降解效率的提高。第三章主要研究模拟太阳光下Zn1-xCuxO、管状Zn1-xCuxO以及Ag修饰管状Zn1-xCuxO对亚甲基蓝(MB)的光催化降解性能。研究发现Zn1-xCuxO随着Cu掺杂的增加,降解效率减小。形成管状结构后降解速率也有所减弱,经过Ag修饰后的管状Zn1-xCuxO/Ag降解速率明显提高,主要是因为光催化剂的催化性能受到比表面,晶面,晶体缺陷,肖特基势等因素的综合影响。第四章深入探讨了模拟太阳光下Zn1-xCuxO、管状Zn1-xCuxO及管状Zn1-xCuO/Ag体系光降解亚甲基蓝的降解机理。使用对苯二甲酸、甲醇、异丙醇作为OH·或h+的捕获剂,Ag作为电子捕获剂来确定体系中起决定性作用的活性中间体,结果发现,无论是Zn1-xCuO、管状Zn1-xCuxO还是管状Zn1-xCuxO/Ag体系,其降解MB的反应均由体系中产生的OH·起决定性的作用,同时h+vb也有部分贡献。同时研究还发现,Ag+的存在对降解MB具有一定的促进作用,随着Ag+浓度的增加,降解速率增强。
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