氧化锌微纳米材料的制备及光催化性能研究

发布时间：2020-06-08 12:39

【摘要】：近年来,环境污染是人类亟待解决的首要问题。半导体在光催化领域的应用,是治理环境污染的有效方法之一,获得了国内外学者的广泛研究。其中,ZnO作为一种光催化材料在环境污染治理领域受到广泛关注。ZnO是一种典型的宽禁带直接带隙半导体材料(Eg=3.37 eV),具有良好的生物相容性和环境安全性。与此同时,气凝胶材料作为一种新型多孔网络结构材料,具有孔隙率高、比表面积大和密度轻等优点,将其与ZnO相结合具备广阔应用前景。本论文首先探讨催化剂形貌对ZnO光催化活性影响的相关科学问题,选择不同形貌ZnO开展光催化实验,深入分析了ZnO形貌对其光催化活性的影响。此外,考虑到ZnO对有机物的吸附行为对光催化活性有显著影响,选用高吸附性能的气凝胶作为改性材料,制备了ZnO复合气凝胶,提高ZnO对有机物的吸附性能,探讨光催化剂吸附性能对其光催化活性的影响。采用水热法合成了纺锤状氧化锌微米棒,确定了最佳工艺条件:5 mmol二水合乙酸锌、5 mL三乙醇胺(TEA)、3 mL氨水、蒸馏水滴加量60 ml、温度120℃、反应时间8 h。样品在紫外光下对甲基橙溶液的降解率达到97.91%。XRD、SEM结果表明合成的ZnO纳米晶均为六方纤锌矿结构,形貌为纺锤状,均匀性良好。采用TEMPO-NaBr-NaClO体系将纸浆板氧化为纳米纤维素(NFC),通过恒温水浴和冷冻干燥制备ZnO-cellulose复合气凝胶。通过改变锌源和表面活性剂用量,在纤维素骨架表面生长出片状和球状纳米ZnO。应力-应变曲线证明改性后气凝胶有较强的机械性能,回弹性可以达到63.5%,热重分析证明复合气凝胶的热稳定温度为270℃。样品在紫外光下对MO溶液的降解率可达98.8%,经过5次循环后降解率仍能达到90%以上。采用溶胶-凝胶法合成ZnO-SiO_2复合气凝胶,确定了最佳工艺条件:Zn(NO_3)_2/H_2O/HCl/NH_3·H_2O/TEOS摩尔比为0.2:4:2.4×10~(-4):1.8×10~(-2):1,水解温度35℃,水解24 h,老化温度50℃。表面改性剂TMCS与硅源(TEOS)摩尔比为1,改性时间24 h,改性温度40℃时,气凝胶的疏水角达到145°,具有优良的疏水性能,比表面积达972.1 m~2/g,平均孔径12 nm,具备典型的气凝胶结构特征。样品通过90 min的紫外光照射,对MO溶液的降解率达到接近100%,光催化效率明显提升,经过5次循环后,光催化效率仍能达到95%以上。
【图文】：

光催化,气凝胶

危及人类生存，并且煤，石油等不可再生资源的过度开采和使用，也使地球资源枯竭的困境，造成空气质量持续恶化。例如：北方地区近年来雾霾现象，已经严重危害人们正常生活和身体健康。所以治理环境污染和开发新能源为我国最需要解决的问题之一[2]。自 1972 年日本东京大学 Fujishima 和 Ho授[3]报道 TiO2单晶做阳极，Pt 黑做阴极，连接外部电路光解水产生 H2和 O，半导体光催化剂就在治理环境与能源转换领域引起了广泛关注[4]，研究历图 1.1 所示。与此同时气凝胶作为一种新型的三维材料，具有高比表面积、隙率以及低密度等优点[5]，其特殊的用途和使用价值广泛应用在新型催化、物理、粒子捕获等领域。1931 年，S.S.Kistler 教授首次制备出 SiO2气凝胶[后全世界科学家共同努力，推动气凝胶材料迅速发展。经过科研人员不懈努力，气凝胶研究领域取得显著成果[7]。目前研究气凝主要科研机构有：桑迪亚国家实验室，美国劳伦兹-利物莫尔国家实验室nopore 公司、法国蒙特伯利尔材料研究中心及德国、日本以及国内的一些高。

表示图,晶体结构,氧化锌

氧化锌 (ZnO) 俗称锌白，是一种白色无机材料，II-VI 族氧化物，氧化锌的禁带宽度为 3.2 eV，具有较低的激子结合能 60 meV，是一种重要的半导体材料。氧化锌存在三种晶体结构，，分别是岩盐矿 (rocksalt)、纤锌矿 (wurtzite) 和闪锌矿(zinc blende) 结构，三种晶体结构模型[8]如图 1.2 所示。其中岩盐结构非常罕见，只有在高压条件下才可产生。纳米结构的氧化锌材料具有高比表面积及高活性等特点，与普通氧化锌材料相比，其在光、电、磁和催化等方面可以发挥特殊作用[9-10]。随着半导体材料的迅速发展，二氧化钛、氧化锌等半导体材料开始被人们广泛研究，具有特定结构的纳米氧化锌在光催化降解有机物方面存在潜在的应用前景。目前，虽然商业化二氧化钛表现出了较高的降解效果，但是其生产成本较大，开发新型的半导体降解材料迫在眉睫。因此，成本较低、合成方法简单的氧化锌半导体材料逐渐成为科研工作者研究的重要目标。最终结果证明，氧化锌在光催化方面展现出优异的效果，具有广阔发展前景[11]。a b c
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1;X703

【参考文献】