银基表面等离子体光催化剂的制备及其光催化性能研究

发布时间：2020-10-30 10:34

　　 由于贵金属具有表面等离子体效应,在半导体材料表面负载Ag纳米粒子可以有效提升其光催化活性。本文将贵金属Ag与半导体材料AgCl和ZnO结合,得到Ag@AgCl和Ag-ZnO两大类表面等离子体可见光催化剂,包括(Ag@AgCl)-Fe3O4/RGO、(Ag@AgCl)-Ni/RGO和Ag-ZnO复合材料。本文推测了各复合材料制备过程机理,评估了其光催化降解水中有机污染物(包括多种染料和苯酚)的活性,并探索其光催化机理。本论文的主要工作包括以下几个部分:(1)设计以Ag@AgCl纳米粒子为可见光催化活性主体,以RGO为催化剂载体和促进剂,结合最常用的磁性材料Fe304纳米粒子,获得可磁分离的等离子体可见光催化剂(Ag@Aga)-Fe3O4/RGO复合材料。可见光照下,该催化剂可分别在100 min和12Omin内完成对阳离子染料亚甲基蓝和中性染料罗丹明B的催化降解。较好的光催化性能归功于Ag@AgCl粒子和RGO片层间的协同作用:载流子由Ag@AgCl粒子向RGO片层的快速转移有效提升了电子-空穴对的分离效率。此外,良好的磁性使得该催化剂的回收和循环利用更为简便。(2)最常见的磁性材料Fe304较差的导电性会影响到载流子的传递,从而会影响光催化效果。本文选取稳定的磁性金属Ni替代Fe3O4作为光催化剂的磁性组分,获得可磁分离的等离子体可见光催化剂(Ag@AgCl)-Ni/RGO复合材料。相同实验条件下,(Ag@AgCl)-Ni/RGO复合材料催化降解亚甲基蓝的效果优于(Ag@AgCl)-Fe3O4/RGO复合材料,略逊于Ag@AgCl/RGO复合材料;(Ag@AgCl)-Ni/RGO复合材料催化降解甲基橙的效果远远优于(Ag@AgCl)-Fe3O4/RGO复合材料,甚至优于(Ag@AgCl)/RGO复合材料。大比表面积、高导电性和强磁性等优点使得Ni//RGO成为一种优秀的光催化剂载体和提升体。(3)提出将锻烧含锌前驱体与高温沉积贵金属结合的方式获得Ag-ZnO纳米复合物光催化剂,因此设计并制备了含能材料Ag-Zn(NO3)2(N2H4)3复合物前驱体。具体来说,本文设计以ZIF-8为前驱体,利用Ag+的强竞争配位作用破坏ZIF-8骨架结构形成[AgxZna(MeIm)b](x+2a-b)+配位聚合物。N2H4-H2O具有强络合能力和强还原性,将Ag+和Zn2+连接固定在[AgxZna(MeIm)b](x+2a-b)+配位聚合物中有利于在加入N2H4·H2O后生成Ag-Zn(N03)2(N2H4)3复合物。该复合物在定向附着作用和强离心力作用下子发生自组装,最终形成六棱柱结构。(4)构建了一个Ag-Zn(N03)2(N2H4)3复合物与ZIF-8材料混合的含能体系,通过“爆轰沉积”法得到Ag-ZnO复合材料用作光催化剂。其中,Ag-Zn(NO3)2(N2H4)3含能复合物为爆炸源和锌源;由于优异的导热性,Ag-Zn(NO3)2(N2H4)3复合物中包埋的Ag纳米粒子可以有效提升爆轰反应的均一性;而周围相对较为惰性的ZIF-8为另一锌源,它保证了整个爆轰过程的安全性和可控性。爆轰过程可将大量缺陷引入ZnO,本文主要通过荧光光谱证明了ZnO的带隙中缺陷能级(defect-related levels)的存在,缺陷能级使得Ag-Zn0表现出更为优异的光催化性能。氙灯光照下,本文所制备的Ag-ZnO光催化剂可分别在30min和90min内完成对亚甲基蓝和苯酚的降解。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703;O643.36;O644.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 前言
    1.2 贵金属-半导体复合材料可见光催化的理论基础
        1.2.1 半导体光催化的基本原理和计划路径
        1.2.2 贵金属用作半导体光催化助催化剂的基本原则
        1.2.3 局域表面等离子体共振
        1.2.4 光的吸收和散射
        1.2.5 电荷转移机理
        1.2.6 光吸收/载流子分布长度问题
    1.3 等离子体光催化剂的制备方法
        1.3.1 沉积-沉淀法
        1.3.2 热还原法和微波还原法
        1.3.3 光还原法
        1.3.4 浸渍还原法
        1.3.5 离子交换法
        1.3.6 封装法
        1.3.7 贵金属表面氧化法
    1.4 本课题的主要研究内容
2 Ag@AgCl和磁性纳米粒子负载还原氧化石墨烯可见光催化剂
    2.1 前言
    2.2 本章实验试剂和仪器分析
        2.2.1 实验试剂及仪器
        2.2.2 表征及性能测试
3O₄/RGO表面等离子体可见光催化剂'>    2.3 （Ag@AgCl）-Fe₃O₄/RGO表面等离子体可见光催化剂
        2.3.1 实验部分
        2.3.2 样品基础表征结果与分析
3O₄/RGO复合材料的光催化性能评估'>        2.3.3 （Ag@AgCl）-Fe₃O₄/RGO复合材料的光催化性能评估
3O₄/RGO光催化剂作用机理探究'>        2.3.4 （Ag@AgCl）-Fe₃O₄/RGO光催化剂作用机理探究
    2.4 （Ag@AgCl）-Ni/RGO表面等离子体可见光催化剂
        2.4.1 实验部分
        2.4.2 样品基础表征结果与分析
        2.4.3 （Ag@AgC）-Ni/RGO复合材料的光催化性能评估
        2.4.4 （Ag@AgC）-Ni/RGO光催化剂作用机理探究
    2.5 本章总结
3）₂（N₂H₄）₃复合物的制备'>3 Ag-ZnO的前驱体Ag-Zn（NO₃）₂（N₂H₄）₃复合物的制备
    3.1 前言
    3.2 本章实验试剂与仪器分析
        3.2.1 实验试剂及仪器
        3.2.2 表征测试仪器
3）₂（N₂H₄）₃多孔六棱柱复合材料的制备及表征'>    3.3 Ag-Zn（NO₃）₂（N₂H₄）₃多孔六棱柱复合材料的制备及表征
        3.3.1 实验部分
        3.3.2 样品基础表征结果与分析
3）₂（N₂H₄）₃多孔六棱柱复合材料的形成机理探究'>    3.4 Ag-Zn（NO₃）₂（N₂H₄）₃多孔六棱柱复合材料的形成机理探究
        3.4.1 探究ZIF-8为前驱体的作用
        3.4.2 探究pH值对反应体系的影响
        3.4.3 形成机理总结
N2复合材料的制备与性能表征'>    3.5 Ag-ZnO_N2复合材料的制备与性能表征
        3.5.1 实验部分
        3.5.2 样品基础表征结果与分析
        3.5.3 光催化性能测试
    3.6 本章总结
4 Ag-ZnO光催化剂的“爆轰”合成及其性能研究
    4.1 前言
    4.2 本章实验试剂与仪器分析
        4.2.1 实验试剂及仪器
        4.2.2 表征手段
x-ZnO复合材料的制备及表征'>    4.3 Ag_x-ZnO复合材料的制备及表征
        4.3.1 实验部分
        4.3.2 样品基础表征结果与分析
x- ZnO的爆轰合成机理'>        4.3.3 Ag_x- ZnO的爆轰合成机理
        4.3.4 光催化性能测试
x-ZnO光催化剂作用机理探究'>        4.3.5 Ag_x-ZnO光催化剂作用机理探究
    4.4 本章总结
5 全文总结、主要创新点及展望
    5.1 全文总结
    5.2 主要创新点
    5.3 展望
致谢
参考文献
附录

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本文编号：2862356