ZnO纳米复合材料的制备、表征及其光催化性能的研究

摘要

为了提高光催化活性和改善对太阳光的利用率，将不同半导体构建成异质结复合材料就是一个好方法。本课题将着力在ZnO与其它半导体尤其是起着可见光敏化作用的窄带隙半导体耦合形成复合催化材料方面进行一定的研究，并探讨如何有效地防止电子-空穴对的复合和提高光催化量子效率，特别是如何在可见光范围内降解染料废水等有机污染物。
　　类石墨结构的氮化碳(g-C3N4)和磷酸银（Ag3PO4）的价带位分别在ZnO的上面和下面，因此可以作为两种敏化剂与ZnO耦合设计成三种可见光复合光催化材料g-C3N4/ZnO，ZnO/g-C3N4和Ag3PO4/ZnO。同时，采用一锅法成功制备出ZnO2/ZnO复合光催化材料。选用XRD、SEM、EDS、TEM、UV-vis DRS、XPS、BET、及荧光发射光谱等对这些复合材料的结构性能进行一些表征，通过TA-PL技术检测光催化反应过程中产生的·OH自由基，通过加入一系列消除剂检测染料降解过程中的活性物种，同时也探讨了复合体系的光催化反应机理。实验结果表明，这些复合光催化材料的催化性能与单个组分相比有显著的提高，且制备的复合材料在光催化过程中均有良好的稳定性。其它几个方面的主要工作如下:
　　1、g-C3N4杂化的ZnO复合材料(g-C3N4/ZnO)是将沉积-沉淀法制备的前驱体通过简单的热处理得到的。复合材料中g-C3N4的最佳含量是5.0 wt.％。光氧化和光还原过程均遵循一级动力学。催化剂g-C3N4(5.0 wt.％)/ZnO光氧化RhB的速率常数为0.0367min-1，而纯g-C3N4的是0.0112 min-1。g-C3N4(5.0 wt.％)/ZnO光还原Cr6+的速率常数是纯g-C3N4的5倍多。复合材料之所以有优异的可见光催化性能，源于g-C3N4的激发电子注入到ZnO导带上，从而有利于Cr6+还原和具有强氧化能力的·O2-，·OH自由基产生。
　　2、ZnO修饰的g-C3N4复合光催化材料（ZnO/g-C3N4）是采用一种既经济又环保的方法-球磨法制备的。ZnO在复合材料中的最佳含量是15 wt.％。催化剂ZnO(15 wt.％)/g-C3N4降解RhB的速率常数是纯g-C3N4的3.1倍。ZnO和g-C3N4之间有合适的价带和导带位和良好的界面作用，以至于价电荷能够顺利转移，从而提高可见光催化性能。在ZnO/g-C3N4体系中，g-C3N4价带上的h+和ZnO导带上产生的·O2-，·OH对光催化降解RhB起着重要的作用。该研究可能为设计新型异质结催化剂，解决g-C3N4在实际应用中不令人满意的催化活性和低的太阳能转化效率提供一些见解。
　　3、采用简易的球磨法制备出高效的可见光复合光催化材料Ag3PO4/ZnO。催化剂Ag3PO4(3.0 wt％)/ZnO降解RhB的速率常数是纯Ag3PO4的3倍。复合材料中Ag3PO4的最佳含量为3.0 wt％。Ag3PO4/ZnO体系中ZnO价带上产生的·OH自由基对可见光降解RhB起着首要的作用。
　　4、含有不同质量分数ZnO2的ZnO2/ZnO复合光催化材料是以ZnO和H2O2为原料采用一锅法成功制备的。复合光催化材料中ZnO2的最佳含量为1.0 wt.％。降解MO和RhB最大的速率常数分别是纯ZnO的4.1倍和2.2倍。ZnO2有利于光生电子和空穴的有效分离，因而有利于ZnO2/ZnO体系中·OH和·O2-自由基的产生，这是显著提高光催化活性和去除去除染料等有机污染物的原由。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 ZnO光催化研究进展

1．1．1 ZnO光催化降解有机污染物

1．1．2 ZnO光催化去除无机污染物

1．1．3 ZnO光催化水解制氢

1．1．4 ZnO光催化杀菌

1．2 半导体光催化机理

1．3 ZnO光催化技术研究现状

1．3．1 ZnO光催化技术存在的问题

1．3．2 ZnO光催化剂的优化改性

1．3．3 复合催化剂中载流子的分离与传输

1．4 本文设计思想与挑战

1．5 本文主要研究内容

参考文献

第二章 复合材料g-C3N4／ZnO的合成及其在可见光下光氧化和光还原性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要药品及试剂

2．2．2 主要仪器及设备

2．2．3 催化剂的制备

2．2．4 光催化性能评价

2．2．5 催化剂的稳定性

2．2．6 羟基自由基(·OH)分析

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 催化剂C3N4／ZnO的表征

2．3．2 C3N4／ZnO的光催化性能

2．3．3 光催化机理讨论

2．4 小结

参考文献

第三章 ZnO显著提高g-C3N4的可见光催化活性和相应的机理研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要药品及试剂

3．2．2 主要仪器及设备

3．2．3 催化剂的制备

3．2．4 光催化活性测试

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 催化剂ZnO／C3N4的表征

3．3．2 ZnO／C3N4的光催化活性

3．3．3 光催化机理讨论

3．4 小结

参考文献

第四章 可见光催化材料Ag3PO4／ZnO有效降解RhB的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要药品及试剂

4．2．2 主要仪器及设备

4．2．3 Ag3PO4的制备

4．2．4 催化剂Ag3PO4／ZnO的制备

4．2．5 光催化活性测试

4．2．6 催化剂的稳定性

4．2．7 羟基自由基(·OH)分析

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 催化剂Ag3PO4／ZnO的表征

4．3．2 Ag3PO4／ZnO的可见光催化活性

4．3．3 光催化机理讨论

4．4 小结

参考文献

第五章 一锅法合成高活性纳米复合材料ZnO2／ZnO的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 主要药品及试剂

5．2．2 主要仪器及设备

5．2．3 催化剂ZnO2／ZnO的制备

5．2．4 光催化活性测试

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 催化剂ZnO2／ZnO的表征

5．3．2 ZnO2／ZnO的光催化活性

5．3．3 光催化机理讨论

5．4 小结

参考文献

第六章 结论

攻读博士期间发表的论文

致谢