Ag@AgBr/ZnO的制备及光催化氧化性能的研究

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现今有机污染废水组分愈发复杂,加剧了水环境的恶化,传统的污水处理方法难以承受逐渐加重的污水处理需求。仅利用光能作为能源的光催化氧化技术,由于其绿色、高效和无二次污染等优势逐渐进入科研工作者的视野。ZnO作为一种传统的高效半导体光催化剂,具有优异的光学性能。同时也存在光催化剂的共性问题:过度依赖紫外光和电子-空穴对复合快。为解决上述问题,本研究采用水热法制备ZnO光催化剂,并优化其制备工艺。同时,引入Ag@AgBr体系对ZnO材料进行改性。以罗丹明B(RhB)溶液的降解效率作为光催化剂活性的评价指标。最后,采用头孢呋辛钠溶液作为模拟抗生素废水,评价Ag@AgBr/ZnO新型光催化剂的实际应用价值。首先,以乙酸锌为主要原料,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂,采用水热法制备ZnO光催化材料。单因素和正交实验的结果表明,ZnO材料的最佳制备工艺参数为:水热温度140℃、水热时间3 h、CTAB投加量2 g、煅烧温度650℃和煅烧时间2 h。此时制备得到的ZnO材料的光催化性能最高,紫外光照90 min对RhB溶液的降解效率达到99%。采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征方法对ZnO材料进行表征分析,结果表明,最佳制备工艺条件下得到的ZnO材料,呈现由多孔片成簇组成的花状形貌;为结晶度和纯度较高的六方纤锌矿结构;对紫外波段的光具有较强的响应,带隙约为3.22 eV。其次,采用简单的一步水热法,制备Ag@AgBr/ZnO复合光催化材料并优化复合比例。采用SEM、XRD、TEM、XPS、傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)和紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和光致发光光谱(PL)对Ag@AgBr/ZnO复合材料进行表征分析,结果表明,Ag@AgBr/ZnO-2复合材料呈现出与ZnO材料相似的微观形貌特征,均为由多孔片成簇组成的花状形貌;结晶度和纯度较高;与ZnO相比,Ag@AgBr/ZnO-2复合材料在可见光全波段显示出更强的吸收,带隙约为3.16 eV;电子-空穴对的复合率更低。在可见光照射下,Ag@AgBr/ZnO-2复合材料显示出比P25材料和ZnO材料更强的光催化活性,其降解速率常数是P25材料的10.14倍,是ZnO材料的11.08倍。最后,进行Ag@AgBr/ZnO复合材料对头孢呋辛钠模拟抗生素废水,在不同光源下的降解实验。在紫外光照射60 min后,对头孢呋辛钠溶液的降解效率达到88.13%;在可见光照射60 min后,对头孢呋辛钠溶液的降解效率达到35.08%。在模拟太阳光照30min后,对头孢呋辛钠溶液的降解率高达74.77%。根据自由基掩蔽实验的结果,并结合理论计算,提出了可能的光催化反应机理。结果表明,·OH在Ag@AgBr/ZnO复合材料的光催化过程中起着主导作用,其次为h+,而·O2-对光催化过程的影响十分微弱。通过单因素实验优化头孢呋辛钠溶液的处理条件,为:催化剂投加量1 g/L;头孢呋辛钠溶液初始pH为11;头孢呋辛钠溶液最佳初始浓度为5 mg/L。在此条件下,光照30 min Ag@AgBr/ZnO复合材料对头孢呋辛钠溶液的降解率可达90.96%。
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