纳米金属氧化物光致产生活性氧物种的预测

发布时间：2020-06-09 06:56

【摘要】：纳米金属氧化物由于具有独特的光化学性质,被广泛应用在光电材料、生物医药及环境治理等领域。活性氧物种(ROS)的产生被视为决定纳米金属氧化物光催化反应特性、抗菌活性及细胞毒性的重要原因。金属氧化物的晶体构型繁多,粒径分布较广,新型材料层出不穷。建立纳米金属氧化物光致产生ROS的预测方法,对于评价它的光催化性能及潜在的生态风险具有重要意义。本研究采用密度泛函理论与Brus模型,建立了不同构型和粒径纳米金属氧化物能隙值(E_g)的定量预测模型,并通过内部和外部验证评价了该模型的预测性能。基于光致产生ROS的氧化还原电位,建立了纳米金属氧化物光致产生ROS的预测方法,研究了16种纳米金属氧化物在3~100 nm下光致产生ROS的途径及种类。为了评价光致产生ROS预测方法的准确性,本研究利用电子顺磁共振技术,检测了光照条件下9种纳米金属氧化物在水相中诱导产生ROS的种类。研究结果表明:所构建的不同粒径纳米金属氧化物E_g的定量预测模型,有较好稳健性(n=24,RMSE=0.55)和外部预测能力(n=8,RMSE=0.48)。相比体相材料,能隙值随着粒径的减小而增大,当粒径小于5 nm时,能隙值显著升高。纳米金属氧化物光致产生ROS的预测结果表明:光照条件下(波长1240/E_g),除纳米Cu_2O(粒径6.25nm)、纳米ZnO(粒径3.95 nm)及纳米SnO_2外,其余13种纳米金属氧化物均可以将O_2还原为O_2~(·-)。纳米Cu_2O不可以将OH~-和H_2O氧化为·OH;纳米ZnO(粒径3.43nm)不可以将OH~-氧化为·OH;其余14种纳米金属氧化物均可将OH~-和H_2O氧化为·OH。纳米Cu_2O不可以将O_2氧化为~1O_2;其余15种纳米金属氧化物均可将O_2和O_2~(·-)氧化为~1O_2。电子顺磁共振测试结果表明:光照条件下(λ:280~500 nm),9种纳米金属氧化物均可产生·OH。锐钛矿型nTiO_2及nSnO_2不能产生~1O_2,其余4种纳米金属氧化物均可产生~1O_2。实验测定结果与光致生成ROS的预测结果对比发现,本研究建立的纳米金属氧化物光致产生ROS的预测方法的准确率达到72%。综上,本研究建立了不同构型和粒径纳米金属氧化物光致产生ROS的反应途径及生成种类的预测方法,为纳米金属氧化物的生态风险评价及新型纳米材料的安全设计提供了依据。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】