AgBr(Cl)/ZnO复合纳米光催化剂的制备及其光催化性能研究

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纳米ZnO因价格低廉,光催化活性高,应用前景广阔,近年来备受关注。有研究表明,对纳米ZnO进行复合改性,能够有效提高其作为光催化剂时光生电子空穴对的分离效率及对太阳光的利用率,因此,ZnO基复合纳米光催化剂的研究成为当前化学、材料、环境等领域的研究热点。本文采用简单的两步液相沉淀法制备出了AgBr/ZnO和AgCl/ZnO复合纳米光催化剂,并对其进行了系统表征。还优选了复合纳米光催化剂的制备工艺,研究在以模拟日光或者太阳光为光源时复合纳米光催化剂的光催化性能,探讨了其光催化机理。本文主要研究内容如下:(1)以Zn(NO32、NH4HCO3、AgNO3及KBr为原料,采用两步液相沉淀法制备出了AgBr/ZnO复合纳米光催化剂,并采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)、等离子体光学发射光谱(ICP-OES)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等测试手段对产物进行了表征;通过正交试验优化出AgBr/ZnO的制备工艺;研究了pH值、反应温度、光照强度等因素对材料光催化反应的影响;探讨了以模拟日光AgBr/ZnO的光催化机理。结果表明:AgBr/ZnO是良好模拟日光光催化性能的光催化剂,在300W卤钨灯照射下催化降解甲基橙1.5小时后,降解率达到95%。制备该复合纳米光催化剂的优选工艺是:KBr浓度为0.04mol·L-1,pH值为6,反应温度为55℃,反应时间为2小时。在卤钨灯照射下,该复合纳米光催化剂光催化降解甲基橙的适宜条件选择为pH值为10、温度为45℃、光照强度为300W。(2)研究了直接以太阳光为光源时,AgBr/ZnO复合纳米光催化剂的光催化性能,并借助UV-Vis、XRD、扫描电镜(SEM)、能谱(EDXA)、光致发光光度计(PL)等测试手段分析了循环利用过程中其光催化活性、材料的组分、形貌及光致发光性质等的变化,探讨了AgBr/ZnO的太阳光光催化机理。结果表明,AgBr/ZnO复合纳米光催化剂具有良好的太阳光光催化性能,太阳光照射下,光催化降解甲基橙1.0小时,降解率可达到98%;光催化降解罗丹明B 15分钟,降解率可达到98%。在循环光催化反应过程中,复合纳米光催化剂中的AgBr逐渐被还原为金属Ag,在一次、二次及三次以后循环光催化反应后,光催化剂组成分别为AgBr/ZnO、Ag/AgBr/ZnO和Ag/ZnO,但是光催化剂组分变化前后,其太阳光光催化性能几乎没有降低。三种光催化剂体系的PL光谱发光强度均小于纯ZnO的PL光谱发光强度。(3)以Zn(NO32、NH4HCO3、AgNO3及NH4Cl为原料,采用两步液相沉淀法制备出AgCl/ZnO复合纳米光催化剂,通过XRD、TEM、EDXA、UV-Vis等测试手段对产物进行了表征;研究了pH值、反应温度、NH4Cl溶液浓度、Ag:Cl摩尔比、反应时间等工艺参数对AgCl/ZnO光催化性能的影响;考察了AgCl含量及ZnO基同形貌对AgCl/ZnO复合纳米光催化剂光催化性能的影响;探讨了AgCl/ZnO的模拟日光光催化机理。结果表明,AgCl/ZnO复合纳米光催化剂制备的优选工艺条件是pH值为10、NH4Cl浓度为0.1 mol·L-1、Ag:Cl摩尔比为1:1.2、反应温度为25℃、反应时间为1.0小时;ZnO形貌为粒子,AgCl含量为20wt%时,复合纳米光催化剂的光催化性能最好,在350W氙灯照射下光催化降解甲基橙1.5小时,甲基橙的降解率达到97%;ZnO的形貌对AgCl/ZnO复合纳米光催化剂的紫外-可见吸收光谱影响不大,但AgCl的含量直接影响AgCl/ZnO复合纳米光催化剂的紫外-可见吸收光谱在可见光区域(400nm-650nm)的弱吸收峰强度的高低。
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