PAN@PANI@ZnO柔性复合纳米纤维的制备及其光催化性质的研究

发布时间：2020-03-30 23:16

【摘要】：半导体光催化作为一种绿色的水污染处理技术在节约能源和保护环境方面有着重要的应用前景。ZnO作为一种直接带隙半导体(带隙3.37 eV),具有良好的紫外光吸收性能和合适的能带结构,一直被认为是一种很好的光催化材料。但是通常情况下,ZnO纳米粉体材料作为光催化剂仍然面临着以下问题:第一,在液相光催化反应中容易团聚,减小比表面积,并且反应物悬浮在溶液中,不利于回收;第二,光生电子(e~-)和空穴(h~+)容易复合导致光催化性能下降。针对上述问题,本文通过静电纺丝、原位聚合以及原子层沉积(ALD)方法制备了柔性的ZnO基复合纳米纤维材料,以提高材料的光催化性能和使用性能。论文主要研究内容如下:(1)利用静电纺丝技术制备了聚丙烯晴(PAN)纳米纤维,以此为模板,通过ALD技术制备了PAN@ZnO柔性复合纳米纤维,实现了电纺PAN纳米纤维对ZnO纳米材料的有效固载。形貌和结构测试研究结果表明,ZnO被均匀的沉积到PAN纳米纤维表面形成核壳结构。光催化实验研究表明,随着ALD循环次数的增加,PAN@ZnO复合纳米纤维的光催化活性逐渐增强。PAN@ZnO复合纳米纤维不仅有利于阻止ZnO纳米粉体的团聚,由于其宏观的纤维网毡结构使得材料可以通过自沉降的方式进行回收利用,经过三次循环实验之后,仍然保持较好的光催化活性。(2)以电纺PAN纳米纤维为载体,通过原位聚合的方法制备了PAN@PANI复合纳米纤维;以此为模板,通过ALD技术制备了PAN@PANI@ZnO复合纳米纤维,形成了PAN@PANI@ZnO异质结复合纳米纤维,实现了对ZnO/PANI异质结的固载化。通过改变原位聚合时间和ALD循环次数来改变ZnO/PANI异质结的相对含量。由于ZnO/PANI异质结的存在,能够有效的促进e~-和h~+的分离,因此PAN@PANI@ZnO复合纳米纤维相比于PAN@Zn O和PAN@PANI纳米纤维,光催化活性提高了2.1倍左右。光电流测试研究表明,PAN@PANI@ZnO复合纳米纤维表现出最大的光电流密度,进一步证明了该异质结体系能够更有效的分离电荷。捕获实验研究表明,在光催化反应过程中,h~+、e~-、羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O_2~-)四种活性物种都不同程度的参与了光催化反应,其中e~-起了最主要的作用。由于复合纳米纤维的宏观网毡结构和柔性性能,可以很容易通过自沉降过程进行回收,经过五次循环实验之后仍表现出稳定的光催化活性。
【图文】：

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图 1.1 光激发半导体时 e-和 h+的运动路径示意图[22]。催化已经被广泛地应用，其基本原理可以这样阐述。当光照射果入射光的能量大于或者是等于半导体的带隙，半导体材料体内体的价带跃迁到导带，h+留在价带，实现了 e-和 h+的分离。体时 e-和 h+的运动路径示意图，大约有以下几种情况：强大的库仑力的作用，在 e-和 h+产生的位置处迅速复合，释放材料表面迁移的过程中复合，或者是到达材料表面复合，同时也了材料的表面，并没有被复合掉，，而是与材料表面吸附的 H2O情况下的 e-和 h+才是真正对光催化反应做出贡献的活性物种成 O2-， O2-将会进一步与 H2O 和 h+反应生成 OH，同时 h+ OH 具有很强的氧化性，通过与水体系中的有机污染物接触并的污染物会被分解为环境友好的 CO2和 H2O，从而达到了处理

半导体光催化剂,标准氢电极,位置

(1) 环境友好：半导体光催化是通过光生载流子与半导体表面吸附的 O2和 H2化还原反应产生活性物种，最后活性物种将水体系中的有机物矿化成 CO2和生的产物对人类的生存环境无任何污染。(2) 反应条件容易达到：在光的照射下，将半导体置于水体系中就可以实现对的降解，反映过程中受温度，压强等苛刻因素的影响不大。(3) 催化效率高：相比于物理沉降等方法，半导体光催化在短时间内就可以将系进行降解，不受时间的影响。(4) 可循环使用：半导体光催化剂在多次循环使用之后仍具有较高的光催化活出非常好的循环性能[26-29]。1.2.3 常见的半导体光催化剂
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ342.94;O643.36

【参考文献】