掺杂ZnO多级结构的合成及其光催化降解苯酚

发布时间：2020-03-22 15:55

【摘要】：氧化锌(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有大的禁带宽度和激子束缚能,以及无毒、来源广泛等特点,在光电器件、紫外屏蔽、光催化等方面有着广阔的应用前景。本论文综述了ZnO的合成方法及在光催化降解有机污染物方面的应用。ZnO的光催化性能主要与其自身性质、合成的形貌和晶粒尺寸等有关。为了改善ZnO在紫外光下受激发的局限性,拓宽其在可见光下的应用,常常采用的方法是掺杂。掺杂能够引入新的杂质能级,使光生电子与空穴复合的几率减小,能够形成更多的活性物种氧化污染物,从而提高ZnO的光催化性能。本文以Zn(Ac)_2·2H_2O和NH_3·H_2O为原料,用羧甲基纤维素钠(CMC)做结构导向剂,采用简单的一步水热法,把过渡金属离子Cu~(2+)、Mn~(2+)和Fe~(3+)掺杂其中,合成Cu:ZnO、Mn:ZnO和Fe:ZnO多级结构催化剂。以苯酚为模型有机污染物,考察样品的光催化性能。主要内容如下:(1)以CMC为结构导向剂,采用水热法在120℃下,不同反应时间合成ZnO多级结构。结果显示:反应时间为24 h时,合成的ZnO为六方纤锌矿晶体结构,晶体较为完整,形貌为棒状组装成的笼状多级结构。在紫外-可见光照射下,以苯酚为模型污染物,考察ZnO的光催化降解活性。结果表明ZnO质量浓度为0.5 g/L,苯酚溶液初始浓度为5 mg/L时光催化活性最好,降解率达到79.97%。(2)以Cu(NO_3)_2·3H_2O为掺杂剂,合成一系列不同掺杂量的Cu:ZnO多级结构。在优化的降解条件下研究Cu:ZnO的光催化性能。发现掺Cu量为3%时,光催化降解活性最好,达95.72%。当Cu掺杂浓度比3%低或者高时,光催化活性均会降低。(3)以Mn(Ac)_2·4H_2O为掺杂剂,合成一系列不同掺杂量的Mn:ZnO多级结构。在优化的降解条件下研究Mn:ZnO的光催化性能。发现掺Mn量为3%时,光催化降解效果最好,达88.57%。当Mn掺杂浓度比3%低或者高时,光催化性能均会降低。(4)以FeCl_3·6H_2O为掺杂剂,合成一系列不同掺杂量的Fe:ZnO多级结构。在优化的降解条件下研究Fe:ZnO的光催化性能。掺杂少量的Fe没有明显提高ZnO的光催化性能,但在掺杂量为5%时却抑制了ZnO的光催化活性,使其光催化活性大大降低。(5)通过掺杂量为3%的Cu:ZnO样品光催化降解苯酚的捕获实验结果,推测其光催化机理为:·OH为主要的活性自由基,在苯酚降解过程中起主要作用;·O_2~-自由基有一定活性,对降解起一定作用。
【图文】：

岩盐结构,闪锌矿结构,纤锌矿结构,晶胞

图 1.1 ZnO 晶胞图:（a）立方岩盐结构；（b）立方闪锌矿结构；（c）六方纤锌矿结构（图中黄色小球代表 Zn 离子、蓝色小球代表 O 离子）ig.1.1 The cell diagrams of ZnO: (a) cubic rocksalt；(b) cubic zinc blende；(c) hexagonal wurtz(The yellow ball represents Zn ion and the blue ball represents O ion)[17]由图 1.1 得，六方纤锌矿 ZnO 由六边形密堆积子晶格的离子组成，这些子晶 c 轴交替堆叠。每个 Zn2+亚晶格包含四个 Zn2+离子并被四个 O2-离子包围。这种体配位导致形成极性对称，这会在 ZnO 纤锌矿晶体中引起压电和自发极化效应能够影响纳米 ZnO 的生长。.2 ZnO 的基本性质由于 ZnO 可以很容易的得到，相对来说价格较低，在很多领域都有应用，如 ZnO 良好的光学透明性，用于制造太阳能电池、透明窗材料和透明电极等[18]；其强烈的发光性，可用于发光器件，如发光二极管，激光二极管等[19]；应用其的光催化性能，去降解各种污染物等[20]。下列表格是 ZnO 的一些基本性质。

示意图,光催化降解,示意图,反应生成

图 1.2 ZnO 光催化降解示意图Fig.1.2 Schematic of the principle of ZnO photocatalyst电子-空穴(e-/ h+)的过程如（式(1-1)所示）。然后表面发生氧化还原反应，如(下式(1-2)，(1-3)，-反应生成 OH，而 e-则与 O2反应生成 O2-，然后式(1-5)，(1-6))。接着 H2O2与 O2-反应生成 OH，如(方化性的 OH，与吸附在 ZnO 表面的污染物反应，。最后中间体被分解为CO2和H2O 等无污染化合物表 1.2 ZnO 光催化机理方程式[47-48]Table 1.2 ZnO photocatalytic mechanism equation-（CB）)+(h+（VB）)(1-1O→ZnO+H++ OH(1-2H-→ZnO+ OH(1-3
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;O643.36;O644.1

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