纳米氧化锌薄膜制备改性及光催化性能研究

摘要

纳米氧化锌是一种重要的半导体材料，其禁带宽度与纳米二氧化钛相近，而且制备操作简单、价格低廉。近年来在光催化领域越来越引起重视。但由于纳米氧化锌光催化效率低、光谱吸收范围窄和粉末回收困难等问题限制了其实际应用。因此，本论文针对上述问题以溶胶-凝胶和浸渍-提拉法制备得到纳米ZnO薄膜、金属光沉积改性得到纳米Ag-ZnO薄膜和聚合物复合改性得到纳米ZnO/PVAc复合薄膜为研究对象，采用x射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、顺磁共振波谱(ESR)等测试手段对其进行物性表征，并通过降解染料甲基橙的实验对改性效果进行了评价。 (1)纳米ZnO薄膜的制备及其光催化性能研究采用溶胶-凝胶法和浸渍-提拉法制备得到纳米ZnO薄膜，设计一组实验考察纳米ZnO薄膜制备条件对光催化活性的影响。实验结果表明：煅烧温度250℃，煅烧时间60min为最佳工艺条件。在此条件下制备的纳米ZnO薄膜在紫外灯光照下，3h内对甲基橙的降解率可达62％。FESEM、XRD、XPS、UV-Vis和FT-IR分析结果表明，最优条件下制备的纳米ZnO薄膜由于颗粒粒径最小，使得量子尺寸效应变得最为显著，光催化活性最好。 (2)纳米Ag-ZnO薄膜的制备及其光催化性能研究采用溶胶-凝胶、浸渍-提拉和光沉积贵金属的方法制备得到纳米Ag-ZnO薄膜，设计一组实验考察了硝酸银溶液浓度和光沉积时间对纳米Ag-ZnO薄膜光催化活性的影响。实验结果表明，适量的银沉积可以显著提高纳米ZnO薄膜在紫外区的光催化活性。当Ag沉积量为0.0182 mg·cm-2时，光催化效果最好，3h降解率达到78％。FESEM、XPS、ESR、UV-Vis和FT-IR的分析结果表明，与纳米ZnO薄膜相比，纳米Ag-ZnO薄膜表面晶格氧的含量有所下降，而表面羟基氧和吸附氧的含量显著增加，从而提高了光催化活性。同时，阐释了纳米Ag-ZnO薄膜的光催化活性提高的原因。 (3)纳米ZnO/PVAc复合薄膜制备及其光催化性能研究采用溶胶-凝胶法和浸渍-提拉法制备得到纳米ZnO/PVAc复合薄膜，通过正交设计实验，研究了PVAe的浓度、煅烧温度、煅烧时间、复合薄膜层数和附加ZnO膜层数等工艺因素对光催化性能的影响。由此得出复合薄膜的优化工艺条件：煅烧温度为250℃、煅烧时间为30min、PVAc浓度为10％、复合薄膜层数为(1*1)2、无附加纳米ZnO膜。最优条件下制得的纳米ZnO/PVAc复合薄膜在可见光光照下，2h降解率可接近60％。SEM、XRD、UV-Vis和FT-IR分析结果表明，聚合物PVAc阻止了纳米ZnO颗粒的团聚，使纳米ZnO结晶更加完全；界面相互扩散效应和界面处的复合薄膜煅烧后形成的全新结构是纳米ZnO/PVAc复合薄膜的光催化性能提高的主要原因。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：附堪误表

声明

第一章绪论

第一节光催化剂及光催化机理

1.1.1半导体光催化剂

1.1.2半导体光催化机理

第二节影响光催化性能的因素

1.2.1光催化剂本身结构对光催化性能的影响

1.2.2外部环境对光催化性能的影响

第三节提高ZnO光催化性能的方法

1.3.1制备方法或条件的改进

1.3.2表面染料光敏化

1.3.3掺杂改性

1.3.4半导体表面修饰

1.3.5表面沉积贵金属

1.3.6复合改性

第四节实验选题与设计

第二章纳米ZnO薄膜的制备及其光催化性能研究

第一节溶胶-凝胶法薄膜制备简介

2.1.1溶胶-凝胶薄膜制备的原理

2.1.2浸渍-提拉法

2.1.3基片的清洗

第二节实验部分

2.2.1实验试剂及实验材料与设备

2.2.2检测设备

2.2.3纳米ZnO薄膜的制备

2.2.4纳米ZnO薄膜的光催化活性实验

第三节纳米ZnO薄膜的光催化性能研究

2.3.1纳米ZnO薄膜的制备条件优化

2.3.2煅烧温度对光催化性能的影响

2.3.3煅烧时间对光催化性能的影响

2.3.4对照实验

第四节表征与讨论

2.4.1纳米ZnO薄膜的FESEM分析

2.4.2纳米ZnO薄膜的XRD分析

2.4.3纳米ZnO薄膜的FT-IR分析

2.4.4纳米氧化锌的XPS分析

2.4.5纳米氧化锌的UV-Vis的对比分析

第五节结论

第三章Ag改性纳米ZnO薄膜的制备及其光催化性能研究

第一节Ag改性纳米ZnO薄膜的制备

3.1.1实验试剂及实验材料与设备

3.1.2检测设备

3.1.3纳米Ag-ZnO薄膜的制备

3.1.4光催化实验

第二节纳米Ag-ZnO薄膜的光催化性能研究

3.2.1硝酸银浓度对纳米Ag-ZnO薄膜的光催化性能影响

3.2.2光沉积时间对纳米Ag-ZnO薄膜的光催化性能影响

3.2.3对照实验

第三节表征与讨论

3.3.1纳米Ag-ZnO薄膜的FESEM分析

3.3.2纳米Ag-ZnO薄膜的FT-IR分析

3.3.3纳米Ag-ZnO薄膜的XPS分析

3.3.4纳米Ag-ZnO薄膜的ESR分析

3.3.5纳米Ag-ZnO薄膜的UV-Vis分析

3.3.6光沉积机理

3.3.7纳米Ag-ZnO薄膜光催化机理

第四节结论

第四章纳米ZnO/PVAc复合薄膜制备及其光催化性能研究

第一节实验部分

4.1.1实验试剂及实验设备

4.1.2检测设备

4.1.3纳米ZnO/PVAc复合薄膜的制备

4.1.4光催化实验

第二节纳米ZnO/PVAc复合薄膜光催化性能研究

4.2.1复合薄膜材料的制备条件优化

4.2.2复合薄膜的光催化性能

4.2.3复合薄膜对甲基橙降解与吸附的对比实验

4.2.4溶液pH值对催化性能的影响

第三节表征与讨论

4.3.1纳米ZnO/PVAc复合薄膜的SEM分析

4.3.2纳米ZnO/PVAc复合薄膜的XRD分析

4.3.3纳米ZnO/PVAc复合薄膜的FT-IR分析

4.3.4紫外可见吸收光谱分析

第四节结论

参考文献

已发表论文

致谢