Ce3+,Sm3+,Fe3+掺杂纳米ZnO的制备及其光催化和抗菌性能研究

摘要

环境污染是人类当前面临的主要问题之一，借助ZnO纳米材料的光电性能，探索其在环境的应用，对实现环境的可持续发展具有重要意义。ZnO纳米材料的光电性能与其自身结构密切相关，ZnO作为光催化剂本身存在一些缺点，例如光生电子空穴对(e--h+)复合率高、可见光利用效率低等，从而限制了ZnO光催化性能和抗菌活性的发挥。本文即是基于上述背景，采用离子掺杂改性的方法分别制备了Ce3+，Sm3+，Fe3+掺杂纳米ZnO，考察了样品的光催化性能和抗菌活性。利用X-射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见光谱(UV-vis)以及电化学工作站对所制备的掺杂ZnO样品进行性能测试和结构表征。研究了Ce3+，Sm3+，Fe3+掺杂对ZnO的晶体结构、形貌、光电流及其光催化性能和抗菌活性的影响。
　　实验结果表明:Ce3+掺杂ZnO的形貌呈花状。对比Ce3+掺杂量分别为0％、0.4％、0.6％、0.8％和1％的样品可知，当Ce3+掺杂量为0.8％时，Ce3+掺杂ZnO的禁带宽度降低为3.06eV，其光催化性能最优，在可见光下照射240min测得样品对罗丹明B的光催化效率为76.1％，TOC去除效率为68.6％;在紫外光下照射100min测得样品的光催化效率为95.9％，TOC去除效率为83.4％。抗菌测试结果表明，当Ce3+的掺杂量大于0.6％时，Ce3+掺杂ZnO对白色念珠菌和黄曲霉的抑菌率均大于75％。
　　Sm3+掺杂ZnO是由ZnO纳米棒组装而成的花簇状结构。对比Sm3+掺杂量分别为0％、0.5％、1％、5％和10％的样品可知，当Sm3+掺杂量为1％时，Sm3+掺杂ZnO的禁带宽度降低为3.05eV，其光催化性能和抗菌活性最优，在可见光下照射160min测得样品对罗丹明B的光催化效率为75.9％，TOC去除效率为66.3％;在紫外光下照射100min测得样品的光催化效率为98.7％，TOC去除效率为87.2％。抗菌测试结果表明，当Sm3+的掺杂量为1％时，Sm3+掺杂ZnO样品对白色念珠菌和黄曲霉的抑菌率分别为81％和77％。
　　Fe3+掺杂ZnO的形貌为典型的海胆状。对比Fe3+掺杂量分别为0％、1％、3％、5％和7％的样品可知，当Fe3+掺杂量为5％时，Fe3+掺杂ZnO的禁带宽度降低为2.96eV，其光催化性能和抗菌活性最优，在可见光下照射160min测得样品对罗丹明B的光催化效率为88.3％，TOC去除效率为73.6％;在紫外光下照射100min测得样品的光催化效率为97.7％，TOC去除效率为84.6％。抗菌测试结果表明，当Fe3+的掺杂量为5％时，Fe3+掺杂ZnO样品对白色念珠菌和黄曲霉的抑菌率分别达到91％和84％。
　　对比Ce3+，Sm3+，Fe3+掺杂ZnO的光催化和抗菌性能可知，Fe3+掺杂对ZnO的性能提升最大，这主要是因为Fe3+掺杂ZnO具有较高的光电流密度，Fe3+的离子半径较小，容易实现有效掺杂，Fe3+掺杂ZnO对可见光的利用效率最高。Fe3+掺杂纳米ZnO作为一种光催化型抗菌剂有望在自清洁涂层构筑、抗菌涂层等领域得到广泛的应用，在改善人类居住环境等方面将会做出巨大贡献。

目录

摘要

符号说明

1 文献综述

1．1 纳米ZnO概述

1．2 纳米ZnO的光催化原理

1．3 提高纳米ZnO光催化性能的方法

1．3．1 离子掺杂技术

1．3．2 贵重金属沉积技术

1．3．3 半导体复合技术

1．3．4 形貌调控

1．4 纳米ZnO的应用

1．4．1 染料废水处理

1．4．2 皮革涂饰剂

1．4．3 纺织涂层剂

1．4．4 自清洁涂料、保温涂料

1．4．5 医疗保健

1．5 选题的意义、研究内容及创新点

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 本论文韵创新点

2 实验部分

2．1 主要试剂及仪器

2．1．1 主要试剂

2．1．2 主要仪器

2．2 Ce3+掺杂纳米ZnO的制备

2．3 Sm3+掺杂纳米ZnO的制备

2．4 Fe3+掺杂纳米ZnO的制备

2．5 性能测试

2．5．1 光催化性能

2．5．2 抗菌性能

2．6 材料表征

2．6．1 X-射线衍射(XRD)

2．6．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．6．3 透射电子显微镜(TEM)

2．6．4 紫外-可见吸收光谱(UV-vis)

3 结果与讨论

3．1 Ce3+掺杂纳米ZnO的制备及性能

3．1．1 醇水比的影响

3．1．2 反应温度的影响

3．1．3 反应时间的影响

3．1．4 Ce3+掺杂量的影响

3．1．5 Ce3+掺杂纳米ZnO的XRD分析

3．1．6 Ce3+掺杂纳米ZnO的UV-vis分析

3．1．7 Ce3+掺杂纳米ZnO的TEM分析

3．1．8 Ce3+掺杂纳米ZnO的生长机理

3．1．9 Ce3+掺杂纳米ZnO的光催化性能

3．1．10 Ce3+掺杂纳米ZnO的抗菌性能

3．1．11 小结

3．2 Sm3+掺杂纳米ZnO的制各及性能

3．2．1 醇水比的影响

3．2．2 反应温度的影响

3．2．3 反应时间的影响

3．2．4 Sm3+掺杂量的影响

3．2．5 Sm3+掺杂纳米ZnO的XRD分析

3．2．6 Sm3+掺杂纳米ZnO的UV-vis分析

3．2．7 Sm3+掺杂纳米ZnO的TEM分析

3．2．8 Sm3+掺杂纳米ZnO的生长机理

3．2．9 Sm3+掺杂ZnO纳米ZnO的光催化性能

3．2．10 Sm3+掺杂纳米ZnO的抗菌性能

3．2．11 小结

3．3 Fe3+掺杂纳米ZnO的制备及性能

3．3．1 制备方法的影响

3．3．2 铁源加入方式的影响

3．3．3 煅烧温度的影响

3．3．4 Fe3+掺杂量的影响

3．3．5 Fe3+掺杂纳米ZnO的XRD分析

3．3．6 Fe3+掺杂纳米ZnO的UV-vis分析

3．3．7 Fe3+杂纳米ZnO的TEM分析

3．3．8 Fe3+掺杂纳米ZnO的生长机理

3．3．9 Fe3+掺杂纳米ZnO的光催化性能

3．3．10 Fe3+掺杂纳米ZnO的抗菌性能

3．3．11 小结

3．4 Ce3+，Sm3+，Fe3+掺杂纳米ZnO的性能对比分析

4 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的成果

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