不同形貌的纳米ZnO材料的控制合成及其光催化性能研究

摘要

随着化学工业的迅速发展，环境污染问题，尤其是有机物的污染日趋严重，对有机污染物的治理已刻不容缓。光催化降解是一种非常有效的治理有机污染物的方法，与传统的吸附、过滤、沉降等处理方法相比，光催化降解过程不需要复杂的后处理工序，大大降低了实际应用过程中的操作成本。在此背景下，本论文拟研发高性能的纳米ZnO光催化材料用于有机污染物的催化降解。主要开展以下几个方面的研究：(1)对ZnO的制备方法进行系统优化，(2)对不同形貌纳米ZnO的形成机制进行详细探讨，(3)以罗丹明B降解为模型反应，评价不同形貌ZnO的光催化性能，分析影响催化活性的因素，(4)在多种表征基础上，对催化剂的结构与催化性能进行关联。
　　 在最初的工作中，采用简单的一步溶剂热合成法，成功制备出了一种具有特殊绒球状三维纳米结构的ZnO材料，这种材料由一些纳米片组装而成，具有独特的孔道结构和较大的比表面积；借助实验结果，我们推测了这种三维纳米ZnO结构的生长机理。光催化测试结果表明：与具有花状，螺旋盘状，哑铃状和棒状形貌的纳米ZnO材料相比，绒球状纳米ZnO材料具有更高的光生电子.光生空穴分离效率，因而具有更高的光催化活性。为了进一步提高材料的光催化效率，采用一步合成法成功制备出了Ag掺杂的绒球状纳米ZnO材料，结果表明Ag的掺杂非但没有破坏ZnO原有的绒球状结构，而且还大大提高了其光催化性能。借助表征手段，对Ag在ZnO材料上的作用机制进行了深入探讨。
　　 为了进一步探索纳米材料的制备方法，在制备过程中引入了一些新的考察因素。
　　 首先，采用简单的超声辅助水热合成方法，通过调变柠檬酸的用量，成功制备出了一系列花状纳米ZnO材料，并系统考察了超声作用对花状纳米ZnO材料的形貌、光致发光和光催化性能的影响。超声作用对花状纳米ZnO材料形貌的影响程度与反应体系中柠檬酸的用量密切相关。光致发光和光催化性能测试结果表明，超声作用有效抑制了花状纳米ZnO材料中氧空位的相对含量，进而抑制了其绿色发光性能和光催化活性。在大量实验结果的基础上，提出了这种花状纳米ZnO材料所具有的独特的两步双模板生长机理，并对带缺陷ZnO材料的光致发光和光催化作用机制进行了深入探讨。
　　 其次，基于大量的实验摸索，直接利用简单的超声作用成功制备出了纳米ZnO材料，并实现了Ag的一步掺杂。通过考察超声频率和Ag+的加入对ZnO形貌的影响，深入探讨了超声作用下Ag+参与的纳米ZnO材料独特的生长机理。光催化测试结果表明：Ag的掺杂能大幅提高ZnO的光催化活性。
　　 最后，为了提高所合成的纳米ZnO材料的比表面积，引入P123作为模板剂来制备纳米ZnO材料，通过调节Zn2+和P123的用量成功制备出了一系列具有较大比表面积的纳米ZnO材料。结果表明，无论是Zn2+的用量还是P123的用量，对最终纳米ZnO材料的形貌和光催化性能都有显著影响。
　　 综合以上研究内容，在论文的结尾部分对“纳米ZnO光催化材料的研究方法”进行了系统总结和深入探讨，并对纳米光催化材料的发展前景进行了展望。