Zn0.25Cd0.75S基可见光催化剂的制备及其对水中有机污染物降解性能研究

摘要

随着农药、染料、石化能源等化工产业的迅速发展，能源危机和环境污染问题日益严重，与人类生活密切相关的水体污染形势尤为严峻。传统的水处理技术具有降解速度慢，去除效率低，不易回收，二次污染严重等缺陷，因此寻求一种新型高效的水处理技术来克服传统处理技术的不足极其重要。近年来提出的光催化氧化技术能够将水中的有机污染物彻底氧化分解，且反应条件温和，具有广泛的应用前景。然而目前研究最多的光催化材料 TiO2存在着许多难以解决的关键问题，如有限的量子产率和光能利用率，在很大程度上限制了TiO2的推广与应用。基于以上问题，开发制备活性高、稳定性强、光谱范围广的新型可见光催化剂成为光催化领域的研究重点。
　　本试验采用固相热聚合法和水热法或者两步水热法分别制备出 PI/Zn0.25Cd0.75S、Melem/Zn0.25Cd0.75S、Zn0.25Cd0.75S/Zn2GeO4三种新型有效的可见光催化剂，以液相模拟染料废水中有机污染物的去除率作为材料光催化性能的评价指标。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线粉末衍射（XRD）、傅里叶变换红外射线衍射（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等测试手段对三种光催化剂的物相结构、形貌特征、元素化学状态以及官能团分子结构进行表征分析，采用固体紫外-可见漫反射（UV-Vis DRS）、TU-190型紫外-可见分光光度计、光电流、交流阻抗、摩特-肖特基曲线等测试对催化剂的光学性质、污染物降解率及能带结构进行了详细考察。
　　研究结论如下：（1）运用相近半导体互溶的方法可将 ZnS和 CdS按一定配比制得ZnxCd1-xS固溶体，在Zn/Cd=1:3，硫化钠（Na2S·9H2O）作硫源的条件下，制备出了粒径在15nm左右的具有良好可见光活性的Zn0.25Cd0.75S纳米颗粒。（2）基于Zn0.25Cd0.75S纳米颗粒制备出 PI/Zn0.25Cd0.75S，在可见光照射下，PI质量分数占30％的复合材料光催化活性最高，30min内对MO、RhB的去除率可达到99%以上。（3）Melem作为一种共轭聚合物与PI类似，且制备方法更加简易。Melem/Zn0.25Cd0.75S在降解MO的过程中比PI/Zn0.25Cd0.75S的活性更高，25min转化率可达到98.7%，且对新型污染物 BPA也有一定的去除效果，去除率可达67%。（4）Zn0.25Cd0.75S/Zn2GeO4纳米材料在液相去除MB的光催化活性测试中，去除率为99.5%。
　　本论文创新点：（1）PI/Zn0.25Cd0.75S、Melem/Zn0.25Cd0.75S首次实现了有机材料与无机材料的有效复合，且方法简单，不需要添加任何其他溶剂、表面活性剂及模板剂。为设计开发新型可见光催化剂提供了崭新的思路。（2）制备过程中采用固相热聚合法代替常用的溶液聚合法，有效避免了毒性有机溶剂的使用，是一种简单绿色，对环境友好的合成方法。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 半导体光催化原理

1.3 影响光催化活性的主要因素

1.4 半导体材料的发展概况

1.5 光催化材料的应用

1.6 研究展望

1.7 本论文的选题意义和研究内容

第二章 试验部分

2.1 试剂与仪器

2.2 试验装置

2.3 催化剂的制备

2.4 催化剂的表征方法

2.5 光催化剂对染料的降解活性和光电性能测试

第三章 PI/Zn0.25Cd0.75S有机-无机光催化材料的合成及其降解染料废水性能的研究

3.1 章节引言

3.2 PI/Zn0.25Cd0.75S有机-无机复合光催化材料的制备

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 Melem/Zn0.25Cd0.75S复合光催化材料的合成及其降解有机污染物性能的研究

4.1 章节引言

4.2 Melem/Zn0.25Cd0.75S复合光催化材料的制备

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 Zn0.25Cd0.75S/Zn2GeO4纳米光催化材料的合成及其对染料类污染物的降解研究

5.1 章节引言

5.2 Zn0.25Cd0.75S/Zn2GeO4复合光催化材料的制备

5.3 结果与讨论分析

5.4 本章小结

第六章 结论和建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

附录