ZnO纳米复合材料的制备及其光催化性能研究

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现代工业和经济的快速发展,使得人们的生活水平得到提高,但与之俱来的环境污染和能源短缺问题已成为亟待解决的全球性问题。也日渐成为经济社会走向可持续发展之路必须优先解决的重大障碍。因此,如何解决生态环境污染的防治问题成为21世纪、政府、企业、科学界的重中之重。便捷安全﹑经济高效﹑简单且可行之有效的光催化降解技术,将自然界丰富存在的光能转换成化学能和电能来加以利用,是一个生成无毒无害物质的过程,不仅不会造成二次污染,而且更节约能源,快速且可行之有效的环保绿色技术。直接利用太阳光催化降解废水、废弃中的有机污染物,在保护自然环境和维护生态平衡方面不仅有现实意义,而且具有深远的历史意义。众多半导体光催化材料中,ZnO因电化学稳定性高、廉价、无毒、可循环利用等优点在光催化领成为了有潜力的光催化剂。但在实际应用中,由于ZnO禁带宽度(3.3e V)较宽,使得太阳能的利用率较低,光生-电子对的快速复合,导致光量子效率低等不足,导致了ZnO在光催化领域中的作用得不到充分发挥。因此本文通过探究纳米ZnO材料的合成方法和合成条件,与碳(C)、石墨相氮化碳(g-C3N4)、碳纳米管(CNT)形成复合材料来显著提高ZnO的光催化效率。1.以醋酸锌为前驱体,分别采用高温热解法,微波法,微波水热法和溶胶-凝胶法制备出了具有不同光催化性能的纳米ZnO光催化材料,并对产物进行了结构和光学性能测试。进而通过不同方法合成的一系列产物对罗丹明B进行光催化性能测试,考察烧结温度和微波辐射时间对材料光催化性能的影响。系统的研究了不同制备方法的反应温度和反应时间对光催化剂的晶体结构、光学以及光催化性能的影响,并探索出了最佳合成条件。结果表明,四种方法均能合成出纤锌矿结构的Zn O,且反应温度为350℃,反应时间为10min时的ZnO光催化性能最优。2.通过既有效又快速的一步高温热解法得到了一系列的ZnO/C复合材料,并对产物进行了形貌、结构﹑光学性能测试。并选用有机染料罗丹明B,在氙灯光源照射下进行光催化实验。发现,ZnO/C(1.5%)复合材料的光催化效果最优。根据一级动力学方程,对最佳复合比例合成出来的样品进行了动力学研究,并进一步考察了反应体系的平均活化能,半衰期和反应速率,其反应体系的活化能平均值为18.06kJ/mol。3.以醋酸锌和三聚氰胺为前驱体,采用微波法成功合成出了具有一定可见光相应的ZnO/g-C3N4纳米复合物,并对产物进行了形貌、结构﹑光学性能测试。选用有机染料罗丹明B,在氙灯光源照射下进行光催化实验。发现,ZnO/g-C3N4(1.0%)复合材料在可见光范围内的的光催化效果最优。根据一级动力学方程,对最佳复合比例合成出来的样品进行了动力学研究,并进一步考察了反应体系的平均活化能,半衰期和反应速率,其体系的活化能平均值为33.71kJ/mol。采用傅里叶红外光谱仪对罗丹明B及10min,50min和100min不同时间段降解产物进行了表征。红外光谱实验显示,苯环结构的破坏及罗丹明B的红外特征峰的逐渐消失,证实了ZnO/g-C3N4纳米复合光催化剂能在较短时间内将罗丹明B有效降解。4.采用溶胶-凝胶法,以水为溶剂,醋酸锌为主体,按照一定反应温度合成光催化性能良好的纯ZnO和ZnO/CNT材料,并对产物进行了形貌、结构﹑光学性能测试。选用有机染料罗丹明B,在氙灯光源照射下进行光催化实验。发现,ZnO/CNT(0.3%)复合材料的光催化效果最优。根据一级动力学方程,对最佳复合比例合成出来的样品进行了动力学研究,并进一步考察了反应体系的平均活化能,半衰期和反应速率,其反应体系的活化能平均值为30.66kJ/mol。
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