纳米光催化材料的改性及降解有机染料废水研究

摘要

水体污染是全人类目前需要共同解决的难点和热点问题。面对日益严重的水体污染，尤其是有机染料等难降解废水污染，研究者们在为此进行不断地探索和尝试，希望用更高效率的方式来解决严重威胁我们生命健康的污染问题。传统的治理方法包括物理处理、化学处理和生物处理，但是这些方法对难降解有机物处理不够彻底，且很可能造成二次污染。针对传统方法的弊端，光催化降解技术就应运而生，本论文通过对光催化材料做出了一系列的表征实验，主要研究了TiO2、ZnO以及ZnO/C3N4等光催化材料合成方法、对罗丹明B的降解效率，并探索了光催化材料的降解机理，主要包括以下几个部分：
　　1、改良TiO2光催化活性的研究
　　采用不同方法制备TiO2时，发现利用四氯化钛作为钛源的模板法和水热法制备出的TiO2颗粒细小、分布均匀，通过谢乐公式推算可以得知粒径大约在10 nm以下，而且在模拟太阳光条件下光照2 h的降解罗丹明B的效率分别为99.2％和98.7%。此外，锐钛矿比金红石，甚至不常见的板钛矿更能促进光催化降解罗丹明B的效率，这是由于粒径和晶体结构均能影响对TiO2的光催化效率。
　　2、ZnO材料的制备及其性能研究
　　通过冷凝回流方法制备得到棒状六方纤锌矿结构ZnO光催化材料，晶体尺寸随温度提升不断增大，并且ZnO沿（002）晶面生长趋势减缓，沿（100）晶面生长的趋势得到增强，且形貌由圆球状或者纺锤体变成条状或者棒状。105℃冷凝回流4 h的ZnO光催化材料在汞灯下光照2 h内实现了99.3%的降解效率，这说明在冷凝回流条件下（002）和（100）晶面的生长程度最适合光催化降解，可以产生大量光生电子和空穴，并且纺锤状晶粒有助于抑制光生电子和空穴的复合，从而大大提高了光催化降解罗丹明B的效率。并且整个光催化降解与氧缺陷有关，氧缺陷到达合适的浓度能够促进光催化反应的进行，氧缺陷浓度过高反而会增强光生电子和空穴的复合，影响降解效率。
　　3、ZnO/C3N4复合半导体光催化材料的性能研究
　　实验首先研究了高速球磨方法处理C3N4的方法，球磨后C3N4由层层叠加状态变为片状，并且在可见光光照1 h后降解效率提高到86.9%，相当于未球磨的C3N4可见光光照2h降解的效果，这说明球磨处理扩大了C3N4的光响应范围，提高C3N4的光敏感性。在此基础上，将C3N4/ZnO混合材料进行球磨处理，所得到的材料表现出与C3N4球磨类似的薄层片状结构，与纯ZnO球磨后复合材料相比，随着C3N4比例的增加在降解效率上都有了显著提高，并且在ZnO与C3N4的比例为1:0.1时球磨后催化效率最高。然而随着 C3N4比例继续增加催化效率开始降低，这是由于过量的 C3N4在光催化反应过程中增大了光生电子与空穴的复合概率，由此阻碍了光生电子与空穴的氧化作用的进行。对ZnO/C3N4光催化机理研究发现，空穴在整个催化反应中起到了主要作用。空穴与水进行反应产生大量的羟基自由基加剧了氧化作用，而光生电子以及光生电子所产生的反应起到了次要的作用。

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1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题的目的与意义

1.3 半导体光催化降解的原理以及影响因素

1.4 光催化材料复合材料的研究状况

1.5 本论文的研究内容及创新点

2 实验原料与分析方法

2.1 实验药品

2.2 主要实验仪器

2.3 材料性能表征手段

3 探究制备方法对TiO2形貌、晶形和光催化活性的影响

3.1 引言

3.2 TiO2的制备以及实验方法

3.3 TiO2的表征分析与结果讨论

3.4 本章小结

4 探究温度和反应时间对制备ZnO材料性能的影响

4.1 引言

4.2 ZnO光催化材料的制备及实验方法

4.3 ZnO光催化材料的表征分析与结果讨论

4.4 本章小结

5 ZnO/C3N4复合半导体光催化材料的性能研究

5.1 引言

5.2 ZnO/C3N4复合半导体光催化材料的制备及实验方法

5.3 ZnO/C3N4复合半导体光催化材料的表征分析与结果讨论

5.4 本章小结

6 结论及建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录攻读硕士期间发表的学术论文及成果