硫化锌基光催化剂的制备、表征及其光催化性能研究

摘要

ZnS是一种II-VI族非常重要的直接带隙半导体,其禁带宽度为3.6~3.8eV,作为一种应用广泛的宽禁带n型半导体化合物,ZnS主要用作于发光、气敏和光学材料,如光致发光、电致发光、磷光体、传感器和红外窗口等,而目前对于其光催化性能研究比较少。
　　本文根据目前ZnS光催化剂的研究现状,通过溶剂热法、沉淀-煅烧法等分别制备了一系列ZnS、Al3+掺杂ZnS和WO3/ZnS等复合光催化剂。利用N2物理吸附(BET)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(UV-visDRS)和光致发光谱(PL)等手段对样品进行了表征,并以不同染料酸性橙II、亚甲基蓝和罗丹明B等为模型污染物,考察了催化剂的光催化降解性能。对催化剂的组成,物理结构对光催化性能之间的关系以及光催化促进机理进行了探讨。主要研究内容如下:
　　1.以乙二醇为反应介质,醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)和硫脲((NH2)2CS)为原料,采用溶剂热法制备了系列ZnS光催化剂。通过改变反应温度和时间,研究样品的结晶度、比表面积、光吸收性能以及光催化性能的变化。采用254nm的紫外灯作为光源,对所得样品进行了光催化降解不同染料的活性测试。研究结果表明,该系列催化剂均具有规则的球状形貌,且结晶性能良好。在溶剂热条件下,于140℃处理16h获得得ZnS样品表现了最高的光催化活性。这主要归于该条件下制备的ZnS具有比较好的结晶性能、大比表面积和较少的晶格缺陷。
　　2.在溶剂热合成球状ZnS纳米晶的基础上,以硝酸铝(Al(NO3)3)为前驱体,采用溶剂热法制备了系列Al3+掺杂的ZnS纳米晶光催化剂。考察了不同含量Al掺杂对ZnS的结晶度、比表面积、表面羟基、光吸收性能及其对不同染料的光催化降解性能的影响。结果表明,在140℃的较温和条件下合成的球状ZnS纳米晶具有较好的结晶度;Al3+离子掺杂在增加催化剂的比表面积的同时丰富了催化剂的表面羟基;此外,掺杂的Al3+离子可以明显抑制光生电子(e-)和空穴(h+)的复合,提高光催化反应效率。当掺杂最佳含量的6％Al(摩尔比)时,使催化剂光催化降解染料酸性橙Ⅱ、亚甲基蓝和罗丹明B的降解率分别提高4.5、2.0和1.9倍。
　　3.采用沉淀-煅烧法制备了系列WO3/ZnS复合光催化剂,考察了复合不同含量的WO3对ZnS结构、表面性质、光生电子和空穴对的分离效率及光催化降解酸性橙II的性能影响。结果表明,少量WO3的复合可以抑制ZnS晶粒的长大,提高催化剂比表面积和改善催化剂表面羟基数量,并可抑制光生电子与光生空穴的复合,从而显著提高其光催化脱色活性。
　　以上研究表明,采用溶剂热可以合成规则球状ZnS纳米晶,通过对反应温度、时间等条件的控制,以及选择合适的金属离子掺杂或与其它半导体耦合形成异质结均可以改善ZnS对光的吸收性能,并有效地提高ZnS的光催化性能。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 半导体光催化的基本原理

1.3 ZnS光催化剂的研究进展

1.4 本论文的目的、意义及研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验设备

2.2 实验药品

2.3 光催化活性测试

2.4 光催化剂的表征分析

第三章 溶剂热制备球状ZnS纳米光催化剂及其光催化性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4结论

第四章 球状Al3+掺杂ZnS纳米晶的溶剂热合成及其光催化性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

第五章 WO3/ZnS复合光催化剂的制备及其光催化性能

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 结论

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历及硕士期间发表的学术论文与研究成果

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