微区撞击流法连续制备ZnO及ZnO/Ag纳米复合光催化剂的研究

摘要

本文首先设计并制作了一新型的微区撞击流反应器，并将其用以制备ZnO及ZnO/Ag纳米复合光催化剂。系统研究了工艺参数对产物形貌、产率、光催化性能的影响规律。主要研究内容如下:
　　(1)米用自制微区撞击流反应器，以Zn(NO3)2为原材料，Na2CO3为沉淀剂，连续制备了ZnO纳米光催化剂，系统研究了反应温度、反应物浓度、进料速率和陈化时间等工艺条件对ZnO纳米光催化剂的光催化性能的影响，采用SEM、XRD等测试手段对优选工艺条件下制备产物的物相及微观形貌进行了表征。结果表明，采用微区撞击流反应器可实现ZnO光催化剂的连续、高效制备，当反应温度为80℃、反应物浓度为0.3 mo·L-1、Na2CO3溶液的进料速率为350 ml·min-1、Zn(NO3)2溶液的进料速率为291 ml·min-1时，可制得平均粒径为20.1 nm，粒径分布较均匀的ZnO纳米光催化剂，在100 W高压汞灯照射下降解甲基橙(MO)，40 min内其降解率可达到93.9％，表现出良好的光催化性能。
　　(2)采用自制微区撞击流反应器，以Zn(NO3)2为原材料，NaOH为沉淀剂，柠檬酸钠为表面性能剂，制备了ZnO纳米材料，考察了反应温度、迸料速率、原料和沉淀剂的进料速率比、反应物浓度及柠檬酸钠浓度等工艺参数对ZnO纳米材料的分散性、粒径大小及分布的影响规律。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)对样品的微观形貌及物相进行了表征。结果表明:在反应物浓度为0.2 mol·L-1、原料进料速率为350 ml·min-1、沉淀剂进料速率为700 ml·min-1的条件下，反应温度在为80℃时，制备的ZnO纳米材料的分散性最好，其平均粒径随进料速率和反应物浓度的增加而减小，同时分散性也有明显的提高;随进料速率比的减小ZnO纳米材料的平均粒径明显减小，同时分散性也有明显的提高;柠檬酸钠浓度对ZnO的形貌也有明显影响，柠檬酸钠的浓度在较低范围内时，ZnO纳米材料的平均粒径随着柠檬酸钠的浓度的增加而减小，当柠檬酸钠浓度到达0.004 mol·L-1时，产物平均粒径达到最小值，柠檬酸钠浓度继续增大时，产物平均粒径随柠檬酸钠的增加而增大。制备ZnO纳米粒子最佳工艺条件为:反应温度为80℃，原料和沉淀剂的进料速率分别为1150 ml·min-1、1150 ml·min-1，进料速率比为1∶1，反应物浓度为0.4 mol·L-1，柠檬酸钠浓度为0.004 mol·L-1，该产物呈不规则的圆形和六角形，分散性良好，平均粒径为56 nm。
　　(3)采用自制微区撞击流反应器，以Zn(NO3)2、AgNO3为原材料，NaOH为沉淀剂，柠檬酸钠为表面性能剂和还原剂，在上述实验的基础上，选择适当的工艺条件，制备ZnO/Ag纳米复合光催化剂前躯体，并将其置于微波反应器中微波加热并磁力搅拌，使之继续反应。考察微波反应时间、Ag含量对ZnO/Ag纳米复合光催化剂形貌、光催化性能的影响。采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨率的透射电镜(HETEM)、X射线衍射仪(XRD)对样品的微观形貌及物相进行了表征。结果表明:所得产物由纤锌矿结构ZnO、立方结构Ag复合而成，Ag是以单质的形式十分均匀沉积在ZnO表面上，Ag纳米粒子的粒径在15～50 nm之间，ZnO纳米粒子表面是(0001)晶面，随着反应时间的延长，ZnO和Ag粒子的平均粒径都有所增大，且Ag粒子数量也增加;ZnO/Ag的纳米复合光催化性能随着Ag含量的增加先增强后减弱，在7.5 atom％时达到最大值，可1h内将甲基橙完全降解。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 ZnO概述

1．2．1 ZnO的性质

1．2．2 ZnO的制备方法

1．3 ZnO光催化概述

1．3．1 ZnO光催化氧化还原机理

1．3．2 ZnO纳米光催化剂的应用

1．3．3 影响光催化剂光催化性能的因素

1．3．4 提高ZnO光催化性能的途径

1．4 液相化学反应沉淀过程

1．4．1 晶核的形成

1．4．2 晶体生长

1．4．3 颗粒的团聚

1．5 微反应器概述

1．5．1 微反应器的微混合机理

1．5．2 微反应器的优点

1．5．3 微反应器在制备纳米材料应用

1．6 微观混合的概述

1．6．1 微观混合的概念

1．6．2 微观混合对制备纳米粉体的影响

1．7 课题的选题依据及主要研究内容

1．7．1 选题依据

1．7．2 主要研究内容

1．8 项目来源

2 实验部分

2．1 微区撞击流反应器设计原理

2．2 实验流程

2．3 试验原料及设备

2．3．1 实验原料

2．3．2 实验仪器

2．3．3 分析测试仪器

2．4 产物的表征方法

2．4．1 微观形貌的分析方法

2．4．2 物相分析方法

2．5 光催化实验

3 以Na2CO3为沉淀剂制备ZnO纳米光催化剂的工艺及其性能研究

3．1 ZnO纳米光催化剂的制备方法

3．1．1 微区撞击流法制备ZnO纳米光催化剂

3．1．2 直接沉淀法制备ZnO纳米光催化剂

3．2 结果与讨论

3．2．1 工艺条件对ZnO纳米光催化剂产率及光催化性能的影响

3．3 优选条件下所得ZnO光催化剂的物相、形貌及光催化性能分析

3．3．2 优选条件下所得产物的物相分析

3．3．2 优选条件下所得产物的微观相貌及粒度分布

3．3．3 优选条件下所得产物与在传统反应容器中制备产物的光催化性能比较

3．4 本章小结

4 以NaOH为沉淀剂制备ZnO纳米材料的工艺研究

4．1 ZnO纳米材料的制备方法

4．1．1 微区撞击流法ZnO纳米材料

4．1．2 直接沉淀法制备ZnO纳米材料

4．2 结果与讨论

4．2．1 工艺条件对ZnO纳米材料形貌影响

4．2．2 优选条件下所得产物与在传统反应容器中制备产物的形貌比较

4．3 本章小结

5 微区撞击流法连续制备ZnO／Ag微纳米球的工艺及性能研究

5．1 ZnO／Ag微纳米球的制备方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 反应时间对ZnO／Ag纳米复合光催化剂形貌的影响

5．2．2 Ag含量对ZnO／Ag微纳米球光催化性能的影响

5．3 本章小结

6 结论及展望

6．1 结论

6．2 课题展望

参考文献

符号说明

致谢

攻读硕士学位期间主要成绩

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