氧化锌、硫化锌微纳米复合结构材料的制备及其光催化性能研究

摘要

近年来，由于无毒、成本低且具有独特的物理与化学性能，ZnO、ZnS及其复合微纳米材料的研究得到了广泛的关注。以微纳米ZnO、ZnS复合结构为代表的光催化氧化材料是一种用于光催化处理污水的新型材料，基于其高效、无污染、光化学稳定性好等优点常用于光催化降解有机污染物。但该类光催化剂仍存在如量子效率低、降解率较低及电子-空穴易复合等缺点，从而限制了其应用。本文采用水热/溶剂热方法制备ZnO、ZnS球形颗粒、ZnO/ZnS球状核/壳结构及ZnO：Ag、ZnS：Ag微纳米结构材料，研究了不同的实验参数对材料微观形貌、光学性能及紫外光催化性能的影响。主要内容如下：
　　 (1)通过水热/溶剂热方法，制备得到了ZnO微米球及ZnS纳米球。研究了反应温度、反应时间及表面活性剂的添加对产物形貌、尺寸的影响，探讨了球状ZnO、ZnS的形成原因。研究表明，制备ZnO微米球时溶剂二乙二醇直接影响了产物的形貌；制备ZnS纳米球时，表面活性剂十二烷基硫酸钠和十六烷基三甲基溴化铵起到了调节形貌的关键作用。此外，对其分别进行光致发光光谱测定，得到ZnO微米球和ZnS纳米球的特有的荧光发射特性。
　　 (2)利用分子自取代反应，首次制备球状ZnO/ZnS核/壳结构材料。以合成的ZnO微球为模板，在二次水热反应体系中通过硫化反应，成功制备了球状ZnO/ZnS核/壳结构复合材料。探讨了不同硫源及不同反应比例的Zn2+/S2-对制备的ZnO/ZnS球状核/壳结构的壳层厚度、光致发光以及紫外光催化降解效率的影响。结果表明，Zn2+/S2-=2/1时ZnO与ZnS之间的相互作用最强，故其发光强度最大；而Zn2+/S2-=1时，对以甲基橙和罗丹明B为模型的染料废水的光催化降解效率最高。此方法对球状核/壳结构微纳米材料的制备和污水处理应用方向具有广泛的借鉴意义。
　　 (3)利用二次水热反应体系，分别制备了ZnO：Ag微米球和ZnS：Ag纳米球。通过对ZnO、ZnS表面沉积一层Ag金属纳米粒子的方法来改善其光致发光及紫外光催化降解效率。研究表明，5％的Ag添加量制备出的ZnO：Ag微米球发光效率最高，对甲基橙和罗丹明B模拟染料废水的紫外光催化降解效率较高；2％的Ag添加量制备出的ZnS：Ag纳米球对甲基橙和罗丹明B模拟染料废水的降解效率更高；之后考察对ZnS：Ag光催化剂的反复多次使用，结果表明该类催化剂化学稳定性好，降解效率受外界因素影响较小，变化不大。