新型纳米ZnO的制备、表征及其光催化性能研究

摘要

纳米氧化锌(ZnO)具有紫外光与可见光催化活性,是一种新型光催化剂,在难降解有机废水处理中极具开发应用前景。本文采用水热法、微波加热法和葡萄糖辅助合成法,分别成功地制备出了哑铃型、中空球、粉体三种型貌的纳米ZnO光催化剂。通过X-射线衍射仪(XRD)、电子扫描电镜(SEM)、热重分析仪(TG-DTA)、紫外可见吸收光谱(TV-Vis)、荧光光谱(PL)对光催化剂的粒径、结晶、型貌和光化学性质等进行了表征,探讨了纳米ZnO特性与其光催化活性的联系,并与商业纳米ZnO或者P-25型TiO2作了对比。以脱色率、COD和TOC的去除率为评价指标,系统研究了上述三种催化剂在紫外(可见或者太阳光)光照射下催化降解偶氮染料的性能,从而为纳米ZnO光催化剂的制备和在难降解有机废水实际处理工程中的应用提供了理论依据。研究结果表明:
　　 1.纳米哑铃型ZnO的制备、表征及其紫外光催化性能:首次采用水热法制备出了均一的纳米哑铃型ZnO光催化剂。该催化剂产品属于六角型的纤维锌矿,直径约5μm,长约10gm,其纯度较高、热稳定性和光学性质好;哑铃型ZnO具有较好的光催化活性,经过75min的UV光照,结晶紫(CV)、甲基紫(CV)和亚甲基蓝(MB)的脱色率分别为68.0％、99.0％和98.5％,TOC除率分别为43.2％、59.4％和70.6％;哑铃型ZnO对染料的TOC去除率比商业ZnO的高16.22％。
　　 2.纳米ZnO中空球的制备、表征及其降解水中的亚甲基蓝:首次采用微波加热法快速制备出了直径约为300nm的ZnO中空球,有效地节约了制备时间。该催化剂具有空心结构和粗糙的表面结构,属于六角型纤维锌矿;以偶氮染料亚甲基蓝为目标降解物,无论以紫外光还是可见光为光源,经过90min光照,纳米ZnO中空球均可以将MB染料完全脱色,但在可见光下对MB的TOC去除率比紫外光照略高,约提高5％;即使重复利用5次,纳米ZnO中空球仍表现出较高的光催化降解性能,对MB的脱色率和TOC去除率仍分别达99％和78％,重复利用性好。
　　 3.粉体纳米ZnO的制备、表征及其在太阳光下降解水中的亚甲基蓝:采用葡萄糖辅助合成法制备出了能够有效利用太阳光的粉体纳米ZnO。该催化剂属于六角型纤维锌矿,平均粒径约为60nm;以偶氮染料亚甲基蓝为目标降解物,经过10h太阳光的光照,亚甲基蓝的脱色和矿化效率几乎达到100％;在相同的实验条件下,其光催化效率比P-25型TiO2高18-22％,并具有稳定性好、循环利用率高的特点;首次发现分步供给废水的方式可以有效提高光催化的处理能力和效率。