钼.钨.钒酸盐微/纳米材料的制备、性能及其在废水处理中的应用研究

摘要

由于纳米材料的特异理化性质,使其在光、电、催化等领域具有广泛的应用前景,而纳米材料的理化性质很大程度上依赖于其形貌与尺寸,因而纳米材料的形貌控制在纳米科技中占有非常重要的地位。另外,在生态环境日益恶化、各类资源日益匮乏的今天,如何充分利用太阳光能,降解和处理环境污染物,是环境、能源、化学、材料等领域中的重要课题。本论文采用支撑液膜体系调控合成不同形貌的钼、钨酸盐；采用水热法控制合成铋系可见光催化剂纳米/超结构材料,研究其光学、催化等方面的性质,探索其在印染废水处理中的应用。取得的主要成果如下:
　　 (1)在室温条件下,利用SLM体系,通过添加形貌调控剂,调控合成了不同形貌的钼酸盐、钨酸盐。首次合成出长度高达300-500μm、宽度为230-280nm、厚度为90-110 nm、形貌均一的束状PbMoO4纳米带。当添加乙二胺时,PbMoO4晶体的形貌由四方片状向纳米线、带的方向转化。纳米带的尺寸随着反应时间的增加而增大。当添加柠檬酸时,晶体为薄片组装而成的“核仁”状超结构,直径大约为500 nm。并考察了对应的荧光性能。推导了可能的反应机理。进一步研究了类似结构的钼酸盐和钨酸盐。此外,还设计利用SLM体系制备半导体纳米材料同步处理无机、有机废水,为废水处理提供了新的思路。
　　 (2)使用鸡蛋膜构筑了BSLM反应体系,调控合成了钼酸盐和钨酸盐晶体,得到一系列超结构纳米材料,证明了由鸡蛋膜作模板组成BSLM体系合成微、纳米材料的可行性。鸡蛋膜中含有大量的有机矿物质,结合其复杂的孔和表面结构,容易诱导晶体在生长过程中出现位错和进行自组装。如在无外加添加剂时,合成出直径大约为1-1.5μm的CaMoO4微米空心球。向BSLM体系添加形貌调控剂时,晶体生长仍遵循人工膜支撑液膜体系的规律。对比两体系,在SLM体系中,晶体一般会在“奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)”过程作用下,生成更大的晶体；而在BSLM体系中,晶体容易进行自组装,在“取向连接(OrientedAttachment)”作用下形成超结构材料。如添加乙二胺控制合成BaWO4晶体时,SLM体系中得到长度为20-30μm的棒,BSLM体系中得到的为由长度大约为2μm,直径大约为100 nm纳米棒组成的松枝状的纳米超结构。
　　 (3)利用水热法,通过添加CTAB、SDS和PEG4000作为形貌调控剂,分别合成出Bi2WO6微米球、圆柱和树枝状超结构。以Bi2WO6微米球超结构的合成为例,对反应参数进行了系列考察,得出比较适宜超结构微米球形成的条件。并推测了形成超结构可能的反应机理。采用同样的方法,合成出直径大约为8-10μm的Bi2MoO6超结构微米球。降解模拟印染废水甲基蓝(MB)的实验,表明制备出的Bi2WO6和Bi2MoO6超结构均具有很好的可见光光催化性能,有望在光催化研究和环境废水处理领域中发挥重要作用。
　　 (4)在固相水热体系中,使用线型聚合物PEG4000作为调控剂时,通过调节反应温度来调控BiVO4纳米棒的长径比。在130℃-200℃内,纳米棒的长径比随反应温度的升高而增大:130℃时,直径为60-80 nm,长为120-160 nm,长径比大约为2的纳米短棒；200℃时,直径为80-100 nm,长度高达25μm,得到长径比高达250的纳米线。推测出固相水热法控制合成一维纳米材料的反应机理。光催化降解MB的结果表明,长径比越高的纳米棒的光催化活性越高。考察了线型添加剂的分子长度对产物形貌的影响。PEG10000作为形貌调控剂时,得到厚度大约几十纳米,宽度大约为2μm的超长纳米带；乙二胺作为形貌调控剂时,得到的为直径大约100 nm,长度大约为2μm的纳米线。对应光催化降解模拟印染废水MB实验的结果表明,均具有很好的可见光催化性能,有望在光催化研究和环境废水处理领域中发挥重要作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪 论

1.1 纳米材料概念的提出

1.2 纳米材料的性质

1.3 纳米材料制备的基本方法

1.3.1 模板法

1.3.2 水热法

1.4 晶体学相关理论简介

1.4.1 结晶学

1.4.2 晶格缺陷

1.5 课题的切入点及开展思路

第二章 SLM体系控制合成微/纳米材料及其在废水处理中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 实验方法

2.2.3 分析表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 SLM调控合成PbMoO4微/纳米材料

2.3.2 SLM调控合成BaMoO4微/纳米材料

2.3.3 SLM调控合成AWO4(A=Pb,Ca,Sr,Ba)微/纳米材料

2.3.4 SLM体系在废水处理中的应用

2.5 本章小结

第三章 BSLM体系控制合成ABO4型微/纳米材料及其性质研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂与仪器

3.2.2 实验方法

3.2.3 分析表征方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 BSLM体系控制合成PbMoO4徽/纳米材料

3.3.2 BSLM体系控制合成ABO4 (A=Ca,sr,Ba；M=Mo,W)微/纳米材料

3.4 本章小结

第四章 钨.钼酸铋纳米超结构的制备及可见光催化性能的研究

4.1 引言

4.1.1 半导体光催化原理

4.1.2 影响半导体光催化活性的主要因素

4.1.3 光催化技术的优点

4.2 实验及表征

4.2.1 实验试剂及仪器

4.2.2 实验方法与表征

4.2.3 可见光光催化性能实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 Bi2WO6超结构的控制合成及可见光催化性能实验

4.3.2 Bi2MoO6纳米超结构的水热合成及光催化实验

4.4 本章小结

第五章 固相水热法合成-维钒酸铋纳米材料及其光催化性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 试剂及仪器

5.2.2 实验方法:

5.2.3 产物的表征及可见光催化实验

5.3 结果与讨论

5.3.1 PEG4000调控合成BiVO4纳米线

5.3.2 PEG10000调控合成BiVO4纳米带

5.3.3 乙二胺调控合成BiVO4

5.6 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文与申请的发明专利

个人简历