ZnO基复合材料的制备及光催化机理研究

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ZnO是一种禁带宽度为3.37eV的n型直接宽带隙半导体材料,由于其优异的光电性能和化学稳定性,被广泛运用在光催化、空气净化以及抗菌等不同方面。然而,单一的ZnO系统只能对波长小于400nm的紫外光产生光响应,这极大地限制了它对太阳能的有效利用;同时光生电子与空穴容易发生复合,致使量子效率下降。这些缺点使ZnO的催化性能得不到充分体现。因此,为了提高ZnO的光催化活性,本文制备了Cu2O/ZnO、CNTs/ZnO和ɑ-Fe2O3/ZnO复合材料,分析了不同制备条件对复合材料结构、形貌以及性能的影响。本论文的研究内容主要有如下三个方面:1.选择CuSO4·5H2O作为铜源,水合肼(N2H4·H2O)作为还原剂,采用水热法及水浴化学还原法成功制备出Cu2O/ZnO复合材料。研究了Cu/ZnO摩尔比、反应温度以及反应时间对Cu2O/ZnO复合材料结构、形貌、光催化性能的影响。同时简要探讨了Cu2O/ZnO复合材料的生长机理和光催化降解机理。结果表明,当反应温度与反应时间固定时,随着Cu/ZnO摩尔比例的增大,Cu2O/ZnO复合材料对MB的降解效率呈先增加后降低的趋势。其中,Cu/ZnO摩尔比10%的Cu2O/ZnO(M3)光催化性能最好,在可见光照75min时其降解效率达到94.3%。而且与ZnO的禁带宽度相比较,Cu2O/ZnO的禁带宽度更小。Cu/ZnO摩尔比例固定为10%,改变反应温度或反应时间所制备的Cu2O/ZnO对MB的降解率均出现先增后降的趋势。因此通过光催化实验可知样品性能最佳的制备条件是:Cu/ZnO摩尔比10%,反应温度70℃,反应时间60min。2.采用水热法制备CNTs/ZnO复合材料,通过改变CNTs含量研究其对CNTs/ZnO复合材料结构、形貌以及性能的影响。同时简要分析了CNTs/ZnO复合材料的生长机理和光催化降解机理。实验结果表明,CNTs的加入可以增加ZnO的比表面积,并且提高其可见光吸收强度,同时降低光生电子-空穴对的复合率。CNTs/ZnO复合材料的光催化活性与纯ZnO相比有明显改进。CNTs含量为20mg制备的CNTs/ZnO复合材料的光催化降解最佳,在可见光照75min时其降解率达到91.5%。3.以Fe(NO3)·9H2O为铁源,选择水热法制备一系列ɑ-Fe2O3/ZnO复合材料。通过改变Fe/Zn摩尔比和反应pH值研究不同反应条件对ɑ-Fe2O3/ZnO复合材料结构、形貌以及性能的影响。并简要探讨了ɑ-Fe2O3/ZnO复合材料的生长机理及光催化降解机理。实验表明,固定反应pH等于11,改变Fe/Zn摩尔比合成的ɑ-Fe2O3/ZnO复合材料对MB的降解效率呈先增后降的趋势。其中,Fe/Zn摩尔比1:4的ɑ-Fe2O3/ZnO光催化活性最强,在可见光照75min时其降解效率达到93.6%。固定Fe/Zn摩尔比为1:4,改变反应pH值制备的ɑ-Fe2O3/ZnO复合材料对MB的光催化活性出现先增后减的趋势。
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