锌铝水滑石表面金属酞菁修饰和骨架铁掺杂对光催化剂降解水中有机物的影响

摘要

光催化是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的一个新兴学科领域，它为人们利用太阳光能解决能源与环境问题提供了新的解决方案。具有光活性的物质很多，诸如金属氧化物半导体，染料，杂多酸等，还有由这些光活性物质合成的具有各种特殊结构的材料。水滑石(LDH)作为一种阴离子无机粘土材料，其在光催化领域的应用正受到越来越多的关注。LDH具有特殊的层状结构，其对阴离子有很大吸附容量，且其合成方法简单，易于制备，因此非常适合通过负载或者改变其本体金属元素的组成来实现对其光催化活性的改性。
　　 围绕LDH的这一特殊结构及其金属元素组成易控的特性，本论文展开了骨架掺Fe(Ⅲ)的ZnAlLDH的紫外光催化活性和阴离子金属酞菁负载的ZnAl LDH的可见光敏化活性的研究。全文分为两个部分：
　　 第一部分，通过共沉淀法，将Fe(Ⅲ)加入到ZnAl LDH的层状骨架上，通过多种分析手段对其或其焙烧产物结构进行表征，研究了Fe(Ⅲ)的加入对ZnAl LDH结构和热稳定性的影响。我们发现，Fe(Ⅲ)的加入不利于ZnAl LDH结构的稳定。较低温度焙烧时，Fe(Ⅲ)会生成FexOy，随着活化温度的升高，Fe的氧化物会与生成的ZnO继续反应，生成尖晶石结构。通过对水溶液中苯酚的紫外光降解实验，我们发现Fe(Ⅲ)的加入降低了催化剂的紫外光催化活性，结合对催化剂的组成结构分析，我们认为这是由于Fe(Ⅲ)的加入不利于ZnO晶粒的生长，且在焙烧过程中产生光活性差的FexOy缘故，而FexOy在本实验条件下未能与ZnO发生正协同作用。
　　 第二部分，通过在ZnAl类水滑石化合物上负载金属酞菁，一方面实现了水溶性四羧基酞菁锌(ZnPc)的固载化，另一方面也通过染料敏化作用对ZnAl LDH进行了可见光活性的改性。实验中对负载前后的样品做了XRD和UV-vis DRS表征，结果表明：以水滑石为载体很好的实现了ZnPc的负载。XRD数据表明，载体经水溶液中负载后，层间结构发生了变化，但层间距并未增加，即负载仅发生在水滑石表面，且经ZnPc负载后，催化剂在400-800 nm有了明显的可见光吸收；而负载前后，ZnPc的UV-vis DRS光谱吸收峰位置发生了红移变宽现象，但光谱形状未发生明显改变，表明经负载后的ZnPc与载体之间确实发生了相互作用力，但酞菁结构没有在负载过程中遭到破坏。以4-氯苯酚为底物研究不同负载条件及反应初始pH值对负载催化剂的可见光催化降解活性的影响实验结果表明，以经300℃焙烧的ZnAl(2:1)LDH作为载体负载1％(ppm％)ZnPc的催化剂，在pH12下具有最佳可见光降解活性，此条件下经3 h可见光照底物即可完全降解。