基于ZnO纳米线的复合纳米材料制备及光催化性能研究

摘要

随着纳米科学技术的快速发展，ZnO纳米线已成为一种具有高催化活性、无污染、低成本和环境友好的光催化剂。然而，ZnO纳米线在光催化降解废水有机污染物方面仍存在不足，如可利用的波长范围较窄、光生电子与光生空穴的复合率较高等，这明显限制了ZnO纳米线的光催化性能。目前，提高ZnO纳米线光催化性能的主要方法是对ZnO纳米线进行改性处理，如在ZnO纳米线表面沉积贵金属、掺杂金属离子、制备复合纳米线等，它们可以通过物理方法或湿化学方法来实现。其中，人们更多采用物理方法（如溅射法）对ZnO纳米线进行改性研究，但该方法需要昂贵的设备。而湿化学方法（如液相转换法）具有工艺简单、成本低等特点，在ZnO纳米线改性方面具有较大的潜力。因此，为提高ZnO纳米线的光催化性能，本文从改进水热法制备ZnO纳米线工艺出发，采用低成本的液相转换法制备TiO2/ZnO复合纳米线，并对其光催化性能进行表征分析。
　　本文的主要研究内容与结论如下:
　　(1)采用生长条件温和、操作简单、成本低的晶种水热法制备ZnO纳米线，分别研究氨水浓度、PEI浓度、生长温度、生长时间等不同生长条件对ZnO纳米线形貌的影响。结果表明:当生长液为25 mM Zn(NO3)2·6H2O、12.5 mM HMTA、0.3MNH3·H2O、5 mM PEI、生长温度为90℃、生长时间为15h时，所制备的ZnO纳米线形貌较理想，平均长度达14.5μm、平均直径达667 nm、长径比达21.7、且无底部融合现象、直立性较好。
　　(2)以所制备形貌较理想的ZnO纳米线为反应模板，采用成本低的液相转换法在ZnO纳米线表面沉积TiO2纳米薄膜，制得TiO2/ZnO复合纳米线，实验研究了沉积时间对TiO2/ZnO复合纳米线形貌的影响。结果表明:在本实验室条件下，制备TiO2/ZnO复合纳米线的最佳沉积时间为15 min。
　　(3)以亚甲基蓝为待降解有机染料，以365 nm波长的紫外灯为光源，进行光催化实验，考察沉积TiO2时间为15 min时所制备的TiO2/ZnO复合纳米线的光催化性能。结果表明:TiO2/ZnO复合纳米线的光催化性能明显高于ZnO纳米线。前者在连续进行10次光催化实验之后，亚甲基蓝的降解率仍超过90％。结果表明:TiO2/ZnO复合纳米线不仅具有较高的光催化活性，且光催化稳定性也较好。

目录

议论说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 ZnO纳米材料

1．2．1 纳米材料

1．2．2 ZnO晶体结构

1．2．3 ZnO材料特性

1．2．4 ZnO纳米结构

1．3 ZnO纳米线的制备方法

1．4 ZnO纳米线在光催化中的应用研究

1．4．1 半导体光催化技术

1．4．2 半导体光催化原理

1．4．3 ZnO纳米线在光催化中的研究现状

1．5 主要研究内容

2 水热法控制合成ZnO纳米线

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备

2．2．3 ZnO纳米线的制备

2．2．4 样品表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 氨水浓度对ZnO纳米线形貌的影响

2．3．2 PEI浓度对ZnO纳米线形貌的影响

2．3．3 生长温度对ZnO纳米线形貌的影响

2．3．4 生长时间对ZnO纳米线形貌的影响

2．4 本章小结

3 TiO2／ZnO复合纳米线的制备及表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验设备

3．2．3 TiO2／ZnO复合纳米线的制备

3．2．4 样品表征

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

4 TiO2／ZnO复合纳米线的光催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验设备

4．2．3 光催化实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 建立亚甲基蓝溶液标准曲线

4．3．2 TiO2／ZnO复合纳米线的光催化性能测试与分析

4．3．3 TiO2／ZnO复合纳米线的光催化性能稳定性测试

4．3．4 TiO2／ZnO复合纳米线的光催化机理分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢