基于纳米棒阵列的光催化芯片设计与器件集成

发布时间：2020-07-12 06:29

【摘要】：现代社会高速的发展,不可避免的对生态环境造成严重污染。抗生素的问世,虽然为人类治疗疾病做出了卓越的贡献,但由于抗生素在各行各业的监管政策较松而存在严重地滥用,使人类长期处于低浓度的抗生素环境中,严重威胁着人类的健康。因此,治理抗生素污染成为目前主要亟待解决问题之一。目前,在治理抗生素领域常用的方法是淤泥自降解、活性炭吸附、超声降解和薄膜处理。这些传统的方法在治理过程中不仅繁琐、时间长,而且无法彻底降解抗生素。因此,新的治理技术亟待开发。光催化技术由于其高效、便捷、无污染和降解彻底等众多优势,被广泛应用于治理环境污染。ZnO作为一种宽带隙的半导体光催化剂,由于其电子传输快、光催化效率高、低廉和无毒且不造成二次污染等众多优势受到国内外研究者的广泛关注。在众多的ZnO纳米结构中一维的纳米棒结构具有高效的电子传输能力,作为光催化治理环境污染领域的首选形貌。本文采用湿热合成法成功地在硅片上合成了ZnO纳米棒阵列、ZnO@ZnS核-壳纳米棒阵列以及ZnO@ZnS@Bi_2S_3核-壳-壳纳米棒阵列。主要研究ZnO纳米棒阵列和ZnO@ZnS核-壳纳米棒阵列的合成方法与条件,增强型ZnO@ZnS核-壳纳米棒阵列的光催化治理环境的效果,以及ZnO@ZnS@Bi_2S_3核-壳-壳纳米棒阵列的光热转换性能,研究取得以下成果:(1)以硅片作为基底材料,采用ZnO种子层诱导生长ZnO纳米棒阵列的方法,在硅片上制备出垂直生长的ZnO纳米棒阵列。本文首先采用Zn(CH_3COO)_2的乙醇溶液作为种子溶液,通过滴加至硅片表面并煅烧的方式,在硅片表面先制备一层ZnO的种子薄膜,文中系统地研究探讨了不同种子溶液浓度对ZnO纳米棒阵列的影响。最后,以Zn(NO_3)_2/HMTA的混合溶液作为制备ZnO纳米棒阵列的生长溶液,文中系统地探究了不同浓度的生长溶液对纳米棒阵列的影响。通过系统的科学研究,得到如下结论:最佳的种子溶液浓度是5 mmol/L,煅烧温度130℃,最佳的生长溶液浓度是50 mmol/L。(2)以ZnO纳米棒阵列作为前驱体模板,加入硫代乙酰胺溶液作为硫源从而提供S~(2-),通过S与O置换反应,在模板ZnO纳米棒阵列表面生长一层ZnS壳,从而制备出增强型芯片光催化剂ZnO@ZnS纳米棒阵列。本文系统的研究了不同浓度的硫代乙酰胺溶液和不同的反应时间对所制备的增强型芯片光催化剂形貌和催化效果的影响。研究表明,最佳浓度的硫代乙酰胺溶液是30 mmol/L,反应时间是4 h。(3)以盐酸四环素作为抗生素的模拟污染物,用制备的增强型芯片光催化剂ZnO@ZnS纳米棒阵列进行催化降解研究。结果表明所制备的芯片光催化剂ZnO@ZnS纳米棒阵列具有明显增强的光催化降解效果,在光照140 min内,降解效率达到80.9%,降解速率达到0.0119 min~(-1)。研究表明,通过自主研发一款充分利用芯片光催化剂的装置,与芯片集成之后,降解速率提高了35%。(4)将具有强烈光热转换性能的材料Bi_2S_3包覆在ZnO@ZnS纳米棒的ZnS的壳上,制备出具有全光谱吸收的光热转换材料ZnO@ZnS@Bi_2S_3纳米棒阵列。通过光催化降解罗丹明B溶液表明,负载Bi_2S_3之后,ZnO@ZnS@Bi_2S_3纳米棒阵列的光催化性能明显下降。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;O643.36
【图文】：

紫外-可见分光光度计

第一章绪论污染物被降解效率也就越高。此，在选择与制备光催化剂的时候，应充分考虑研究以上 4 点影响原因。光催化的分析方法学分析法作为光催化降解分析的有效手段之一，是一种利用电磁辐质之间相互作用后而产生的一系列物理关系包括辐射、吸收和散射来的常用分析方法。可以对待检测物质实现定性、定量和结构的分见（UV/VIS）分光光度法作为一种常用的定性与定量分析检测光催化法, 分析原理如下：

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图 1.5 纳米复合物及其对照试验的光催化效率图[30] Dianzeng Jia[31]科研团队全面系统地研究了 AgCl/Ag光催化性能。通过不同带隙的纳米材料进行复合O3纳米复合材料，带隙依次增大，促使光生电子的流复合，提高了光催化性能，展现出了很强的光催化效究中还系统分析了不同的活性基团对催化降解的影响钠、苯醌和叔丁醇依次去除 h+、·O2-和·OH 等具有分析各个活性基团的作用。研究表明，在整个光催化团参于氧化还原反应，·O2-作为辅助基团参于氧化还原用。

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【参考文献】