ZnO纳米复合材料的快速绿色合成及其光催化降解对硝基苯酚的研究

摘要

ZnO是一种比较理想的光催化材料，关于其光催化降解有机污染物的研究较多，但传统的ZnO制备方法存在周期长、耗能大、使用有毒有害溶剂等不足，且在光催化活性和固液分离性能等方面仍亟需改善。为有效解决上述问题，本研究以Fe3O4为磁核，包覆SiO2保护层，ZnO作为多功能外壳，采用微波辅助加热、添加无毒环保的一缩二乙二醇(DEG)助剂的方法合成Fe3O4@SiO2@ZnO纳米复合材料。考察了加磁量和微波加热时间对材料合成的影响，通过多种表征手段对优化合成的材料进行分析;并以难生物降解的芳香族化合物对硝基苯酚为目标污染物，研究Fe3O4@SiO2@ZnO光催化降解对硝基苯酚的最佳催化条件，并探讨了催化剂的循环利用能力、光催化反应机理以及光催化过程符合的模型。本论文主要研究结果如下:
　　(1)采用溶剂热法和微波辅助加热快速绿色合成Fe3O4@SiO2@ZnO复合材料。根据表征分析和光催化实验的结果可知，随着加磁量的增加，材料的光催化和磁响应性能都得到提高，当加磁量为0.2 g·g-1时，合成材料的综合性能最佳;不同微波加热时间之间的对比发现，加热时间为15 min合成的材料形貌规则，分散性良好和光催化活性强。表征结果表明，经优化后合成的Fe3O4@SiO2@ZnO的比表面积为27.52 m2· g-1，尺寸分布在80～150 nm，带隙为3.21 eV，结晶度和分散性良好，磁响应性能突出，为核-壳结构的复合材料。
　　(2)光催化降解实验表明:Fe3O4@SiO2@ZnO对紫外光的响应能力最强;随着催化剂用量的增加，磁性ZnO对硝基苯酚降解率先升高后逐渐达到平衡;高浓度的对硝基苯酚分子会阻碍光子与催化剂的接触，降解率呈逐渐下降的趋势;延长光照时间有助于提高降解率;催化剂具有宽泛的pH值适应范围;低浓度的腐殖酸(HA)能有效增强催化剂的光催化活性。与TiO2相比，Fe3O4@SiO2@ZnO的光催化活性更强，稳定性更好，适用范围更广，良好的磁分离性能也有利于降低成本和减少二次污染带来的危害。8次连续的循环利用实验并没有使降解率出现大幅度的下降，且第8个周期的降解率仍高达82.3％;催化前后的XRD衍射图谱没有发生明显变化，表明Fe3O4@SiO2@ZnO的稳定性高。
　　(3)动力学研究表明，Fe3O4@SiO2@ZnO和TiO2光催化降解对硝基苯酚的过程更符合准一级动力学模型，说明催化剂的表面吸附能力较弱;反应速率常数分别为0.024和0.018 min-1，表明Fe3O4@SiO2@ZnO的光催化活性更强，光催化降解对硝基苯酚的速率更快;光催化机理探讨表明，Fe3O4@SiO2@ZnO比TiO2的比表面积更大是导致光催化活性更强，催化降解速率更快的主要原因;Fe3+能捕捉光生电子，防止光电子-空穴对的快速复合;对硝基苯酚芳香环上碳原子的稳定性起到决定光催化降解途径的作用。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 对硝基苯酚的危害及其处理技术

1．1．1 对硝基苯酚污染现状

1．1．2 主要处理方法

1．2 ZnO光催化剂的研究进展

1．2．1 半导体光催化剂

1．2．2 ZnO的概述

1．2．3 ZnO的光催化降解研究

1．2．4 磁性ZnO的研究及有机物降解的应用

1．3 本研究的背景、内容及意义

第二章 Fe3O4@SiO2@ZnO的制备及性能研究

2．1 实验原料及表征方法

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．1．3 材料表征方法

2．2 实验步骤

2．2．1 制备方法

2．2．2 制备因素考察

2．2．3 光催化活性评价

2．3 结果与讨论

2．3．1 加磁量的影响

2．3．2 微波加热时间的影响

2．3．3 材料的表征与分析

2．4 本章小结

第三章 Fe3O4@SiO2@ZnO的吸附及光催化性能研究

3．1 光催化降解实验

3．1．1 光催化降解影响因素

3．1．2 循环利用实验

3．2 光催化结果与讨论

3．2．1 光源的影响

3．2．2 催化剂投加量的影响

3．2．3 初始浓度的影响

3．2．4 光照时间的影响

3．2．5 初始pH值的影响

3．3．6 HA的影响

3．3．7 循环利用性能分析

3．5 本章小结

第四章 模型拟合及机理分析

4．1 催化动力学模型

4．2 实验方法

4．3 模型分析

4．3 增强的光催化机理探讨

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表学术论文目录

攻读硕士学位期间参加的研究项目