纳米氧化锌及其复合物的制备与光催化性能研究

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能源短缺与环境污染问题是人类未来将要面临的最主要挑战,而光催化分解水及降解污染物被认为是解决这两个问题的有效方法。相比传统的Ti02,同为宽禁带半导体的ZnO拥有更丰富的来源和更高的量子效率,被认为是有潜力替代Ti02的材料之一。但是ZnO存在的光生载流子复合快以及光腐蚀问题严重制约了ZnO在光催化领域的发展,因此要实现ZnO光催化剂的大规模应用必须解决这两个问题。本文通过简单的溶剂热法制备出ZnO纳米棒,并在其基础上分别进行了Ag纳米颗粒负载以及通过表面改性与rGO复合形成ZnO-rGO复合光催化剂,并研究了所制备光催化剂的光催化降解性能,主要工作如下:一、采用溶剂热法制备出形貌均匀、重复性好的ZnO纳米棒,利用退火研究了其形貌及表面缺陷对光催化性能的影响,结合室温光致发光谱的研究,发现其主要的载流子复合机制为表面氧空位主导的V(?)→V(?)辐射复合,根据Ag的费米能级位于缺陷能级之间,提出在ZnO表面通过光沉积法负载Ag纳米颗粒,利用Ag的费米能级作为光生电子的转移通道,使被V(?)捕获的导带电子迅速转移至Ag表面,促进载流子分离,同时利用纳米Ag颗粒存在的表面等离子共振作用,提高复合光催化剂的光催化性能。讨论了不同Ag含量对Ag-ZnO光催化剂性能的影响,发现适量的Ag负载能够使Ag-ZnO光催化剂性能达到最佳。二、利用硅烷偶联剂对所制备的ZnO纳米棒进行表面改性,使其表面带正电并与带负电的氧化石墨烯进行自组装水热复合,制备一系列不同石墨烯含量的ZnO-rGO复合光催化剂,对所制备的样品进行了一系列的形貌结构和光催化性能表征,并与未经表面改性的ZnO-rGO进行对比,讨论了适量的rGO复合以及表面改性对复合光催化剂的性能以及光腐蚀情况的影响,提出了光催化提升机理。三、对ZnO-rGO复合光催化剂分别进行光催化降解RhB和苯酚,讨论了污染物所带电荷对光催化剂吸附和光催化降解性能的影响,利用自由基捕获剂阐明了在降解RhB和苯酚过程中不同自由基所扮演的作用,结合总有机碳含量测试证明了ZnO-rGO复合光催化剂能够有效地将RhB和苯酚降解为C02,为以后ZnO光催化剂的应用提供了思路和参考。
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