水浴法制备ZnO基二元、三元复合材料及其光催化行为的研究

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严重的水污染、大气污染、固体污染等不仅对全球的经济发展,更对人类的生活造成了很大的阻碍。光催化氧化技术利用太阳能这种清洁无污染的能源对环境进行治理,所以这种污水处理法有着其它方法所无法比拟的优势。ZnO作为光催化材料,具有电子迁移率高、稳定性好、价格低廉等一些优点,一直是光催化方面科学研究者们研究的热点。然而ZnO光催化材料存在着一些缺陷:由于ZnO能带宽度较大,所以其电子只有在紫外光区域才能被激发,这使得ZnO光催化材料不能充分地利用太阳能;其次,单一的ZnO半导体材料的光生电子-空穴对很容易进行复合,这对其光催化活性产生了很大的影响。这些缺陷对ZnO光催化材料在光催化领域的发展起到了限制作用。一直以来,科学工作者都在研究如何提升ZnO光催化材料的光催化活性。本文主要是利用贵金属修饰和复合半导体两种方式提升ZnO半导体材料的光催化活性。本文致力于通过制备具有更高光催化性能的ZnO二元及三元纳米复合材料,成功地合成了ZnO/NiO二元复合材料、Ag/ZnO二元复合材料、Ag/ZnO/ZnSe三元复合材料、Ag/ZnO/Cu2O三元复合材料;并且通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、光致发光谱(PL)等测试设备对所制备样品的结构和性能进行了分析表征,研究了其对罗丹明B(RhB)的光催化效率,并对其原理进行了讨论。本论文主要研究内容如下:(1)利用水浴法合成了ZnO纳米球,又以ZnO为模板用超声法成功制备了ZnO/NiO二元复合光催化材料。所合成的ZnO/NiO二元复合材料结构是由直径为500nm的面心立方结构的ZnO纳米球表面附着30nm左右面心立方结构的NiO颗粒组成,且生成的二元复合材料纯度比较高。研究了纯NiO,纯ZnO和ZnO/NiO二元复合材料在紫外光辐射下的光催化效率,并对光催化原理进行了讨论。结果发现ZnO/NiO二元复合材料表现了最好的光催化效率,达到了89%。(2)通过微波法成功制备了Ag纳米线,然后再以Ag纳米线为模板通过超声法合成了Ag/ZnO二元复合材料。Ag/ZnO二元复合材料是由面心立方的Ag纳米线的外部包裹着六方纤锌矿结构中ZnO组成的蠕虫状结构。通过对纯ZnO、纯Ag和Ag/ZnO二元复合材料在紫外光辐射下对RhB的降解实验可以发现,Ag/ZnO二元复合材料表现出了最好的光催化效率,其降解效率达到了100%。(3)以Ag/ZnO二元复合材料为模板,利用水浴法成功的合成了Ag/ZnO/ZnSe三元复合材料,添加不同水合肼的量得到了不通硒化结构的Ag/ZnO/ZnSe三元复合材料。本实验合成的Ag/ZnO/ZnSe三元复合材料是由面心立方结构的Ag纳米线为中心轴,外面依次包覆着方纤锌矿结构的ZnO和立方结构的ZnSe纳米颗粒。通过对纯Ag/ZnO二元复合材料和添加不同水合肼量所制备的三份Ag/ZnO/ZnSe三元复合材料在可见光催化下对RhB的降解中发现,在添加15mL水合肼时,所制备的Ag/ZnO/ZnSe表现出最好的可见光光催化效率。(4)以Ag/ZnO二元复合材料作为模板,利用水浴法合成了Ag/ZnO/Cu2O三元复合材料。所合成的Ag/ZnO/Cu2O三元复合材料构是以Ag纳米线为轴,外面依次包覆着六方纤锌矿结构的ZnO和立方结构的Cu2O六方形纳米片。通过对Ag/ZnO二元复合材料,纯Cu2O颗粒、Ag/Cu2O二元复合材料和Ag/ZnO/Cu2O三元复合材料对RhB在可见光下的降解率分别进行了比较,结果发现制备的Ag/ZnO/Cu2O表现出最好的可见光光催化效率。
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