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ZnO基纳米复合光催化材料的制备及性能研究

发布时间:2020-11-22 15:57
   氧化锌(ZnO)作为一种重要的宽禁带氧化物半导体材料,具有良好的光电性能、化学稳定性、热稳定性、成本低廉、无毒等特征,已成为光催化领域中研究最广泛的一种半导体材料。但是ZnO的带隙较宽,对太阳光的利用率较低,光生载流子的复合率较高,因此限制了其实际应用。本文针对以上问题,制备了一系列复合、掺杂改性的ZnO基纳米材料,分别研究了不同复合量、不同稀土元素掺杂和不同掺杂量对ZnO光催化剂的结构、形貌和光催化活性的影响。并通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)、光致发光谱(PL)等技术对催化剂进行表征分析。主要研究内容如下:采用Hummers’法分别制备了氧化石墨烯分散液、氧化石墨烯(GO)以及石墨烯(RGO)粉末,采用溶剂热法制备了纯ZnO和ZnO/RGO纳米复合材料。通过XRD、SEM、TEM、FT-IR、Raman、PL、UV-vis等手段研究了样品的晶体结构、微观形貌和光学性质。研究了这两种材料在氙灯照射下对罗丹明B的光催化活性,结果表明石墨烯的加入能有效的提高ZnO纳米材料的光催化活性,当石墨烯复合量为10%时,其光催化性能最佳,降解率达到了89.72%,比纯ZnO纳米材料的降解率提高了60%。采用溶剂热法分别制备了贵重金属Ag以及不同稀土(Ce、Gd、La、Yb)掺杂的ZnO纳米材料。其晶体结构、形貌和光学特性分别通过XRD、SEM、FT-IR、PL、UV-vis进行了表征。初步探讨了不同掺杂条件下材料的形成机理和光学性质。通过降解罗丹明B发现,无论掺杂Ag还是掺杂稀土,ZnO纳米材料的光催化性能均有明显的提高,其中Ag掺杂量为3%时光催化效果最佳,比纯ZnO的降解效率提高了26%,稀土中Gd掺杂的光催化效果最佳,比纯ZnO的降解效率提高了23%。并分析了相应的光催化机理。采用溶剂热法分别制备了Ag和Gd掺杂的ZnO/RGO纳米复合材料。通过XRD、SEM、TEM、FT-IR、PL、UV-vis等手段对样品的晶体结构、微观形貌和光学性质分别进行了表征和观察。并与前两章的样品进行了结构和形貌上的对比。讨论了不同掺杂或复合量条件下样品对罗丹明B染料的光催化降解活性。实验发现,对于Ag掺杂的ZnO/RGO纳米复合材料来说,由于紫外吸收边发生更为明显的红移,其光催化性能整体提高,其中,3Ag-ZnO/10RGO纳米复合材料光催化效果最佳,120 min时基本将罗丹明B完全降解。对于Gd掺杂的ZnO/RGO纳米复合材料来说出现了严重的团聚现象,紫外吸收边有略微的红移,复合材料光催化性能整体低于ZnO/10RGO样品的降解效率。最后对两种材料的光催化机理进行了分析讨论。
【学位单位】:长安大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TB383.1;TQ426
【部分图文】:

示意图,光催化机理,示意图,光生电子


生的光生电子和空穴才能分别向半导体表面吸附的分子上转移。当半导体体内光生电子空穴对向表面迁移时与之发生竞争的是半导体体内光生电子空穴对的复合。光生电子空穴对的复合往往伴随着光能或其他形式能量的放出,其过程如图1.1中途径C和 D所示。下面以 ZnO 为具体例子,说明半导体氧化物作为光催化剂的光催化原理。多数情况下,光催化反应都是在水溶液和空气中进行的,这是由于光生电子和光生空穴会和氧气或水分子结合产生化学性质十分活泼的自由基集团,主要的反应过程由以下一系列式子来表示。用高于 ZnO 半导体带隙的能量激发 ZnO 材料时,ZnO 被激发后产生光生电子空穴对,其中在导带上形成电子,价带上形成空穴,导带上的电子从高能量处转移到价带,和空穴重组,同时释放出热量或其他形式的能量[14],如式 1.1 和 1.2。 ZnO hν ZnO h e(1.1)

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结构的示意图(其中红球为 Zn 原子;灰球为法制备工艺已经比较成熟,可以通过多种们可以将其分成固相法、液相法和气相料充分研磨进行混合获得前驱体,接着对固相法制备纳米 ZnO 虽然简单方便,产团聚而使粒径增大。气相法又可以分为外加的高温热源将原料加热到汽化状态,米 ZnO 颗粒。化学气相法是将高温分解。主要的气相法有蒸发法、溅射法和化学广泛的方法是液相法。相比其他制备方单,而且制得的 ZnO 纯度高,化学性质

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拓宽其对太阳光的响应范围。Sarsari 等人[29]利用一种简单的煅O,Ag+掺入 ZnO 晶格中后,晶粒尺寸明显增大,有效的形成 带宽度从 3.25 eV 减小到 3.18 eV,拓宽了 ZnO 材料对太阳光的料的光电性能。属沉积技术属沉积技术通常将 Ag、Au、Pb 等贵金属沉积在半导体材料的体材料的光催化性能。通过贵重金属沉积半导体材料提高光催对半导体的能带结构产生影响。由于半导体和贵金属的功函数刚刚移到该物体表面所需的最少的能量)不同,当贵重金属沉半导体材料导带上的电子会转移到贵重金属表面,在半导体与流作用的肖特基势垒,它可以充当整流器,有效地抑制了电子空体材料光催化活性,如图 1.3 所示。
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 宋优男;关卫省;;ZnO/碳纳米管复合光催化材料对抗生素的光催化降解[J];应用化工;2012年07期

2 张万忠;乔学亮;邱小林;陈建国;罗浪里;;纳米二氧化钛的光催化机理及其在有机废水处理中的应用[J];人工晶体学报;2006年05期


相关硕士学位论文 前1条

1 李宏宇;水热法制备形貌可控的氧化锌纳米结构阵列的研究[D];中国地质大学(北京);2011年



本文编号:2894604

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