ZnO纳米复合材料的制备及其光催化性能的研究

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本论文通过对ZnO复合材料光催化的研究,成功的合成了两种ZnO复合光催化剂:氧化锌/氧化石墨烯(ZnO/GO)纳米复合光催化剂和Ce4+/ZnO中空纳米复合光催化剂。借助甲基橙(MO)的脱色降解作为模板反应考察了该光催化剂的催化性能,探讨了掺杂量、煅烧温度等对催化剂的影响,并用TEM、XRD、UV-Vis、IR光谱等表征手段对光催化剂进行了表征。成功的对氧化锌做了改性。第一部分:绪论简要介绍了纳米复合光催化剂的基本性质、制备方法、光催化性能的影响因素、应用以及本课题的选题目的及研究内容。第二部分:氧化锌/氧化石墨纳米复合材料的两步法合成以及其光催化性能的研究用两步法成功的制备了ZnO晶体包覆型的ZnO/GO纳米复合材料。利用TEM、SEM、XRD、IR和UV-Vis等技术对其形貌、表面结构、粒径大小等特性进行了表征。以甲基橙(MO)溶液的脱色降解反应作为模板反应,我们也研究了不同的掺杂量、煅烧温度、以及煅烧时间对于光催化性能的影响,对反应机理做出了合理的解释。结果表明:由两步法制备的ZnO/GO在紫外光下具有良好的光催化性能且在该条件下其性能显著高于纯的ZnO,是一种低或无能耗、高活性、实用型的光催化剂。当GO的负载量为15%时,在450℃煅烧两个小时的时候,光催化性能最强,45min时光催化性能可以达到90%以上。该种光催化具有以下的优点:一、纳米氧化锌均匀的负载在氧化石墨的片层结构上。二、氧化锌与氧化石墨烯之间形成了较强的化学键力,这样可以有效抑制氧化石墨烯的团聚。第三部分:稀土Ce掺杂ZnO纳米光催化材料的制备和光催化性能的研究采用棉花为模板,成功的制备了Ce4+掺杂了ZnO中空纳米复合材料。并利用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(IR)、紫外-可见光谱(Uv-vis)、X射线衍射(XRD)和荧光等技术对其形貌、晶体大小以及表面结构做了表征。用甲基橙(MO)溶液的脱色降解为模型反应,考察了不同光源、煅烧温度、煅烧时间和Ce4+的掺杂量对于催化剂催化性能的影响。研究结果表明:该法成功的复制了棉花的中空纤维结构,当Ce4+的掺杂量为2%,煅烧温度为500℃,煅烧时间为两个半小时时,在2.5个小时光降解率达到90%以上。并且该催化剂还具有良好的稳定性能,重复使用5次后仍能保持MO溶液的脱色降解率在70%以上。另外,在对光催化剂焙烧温度对光催性能影响的研究中发现,煅烧温度对化剂的晶体结构、表面性能和光催化活性产生较大影响,500℃的焙烧温度处理的样品结晶度较高,同时催化剂颗粒粒径较细,表面具有丰富的羟基。但过高的焙烧温度(600-800℃)将导致催化剂的物理结构发生恶化,降低了光催化性能。固体紫外可见光谱表明,掺杂Ce的ZnO光催化剂吸收边发生了明显的红移现象。
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