铁酸锌复合石墨烯/二氧化钛光催化剂的研制及性能调控机制研究

摘要

水体中有机污染物的处理是近年来环境治理的重点和难点。相对于常见的物理、生物处理方法，光催化降解技术因其具有普适性和对有机污染物的敏感性而受到科研工作者的广泛关注。本文针对水相中难降解有机污染物处理的技术难题，围绕铁酸锌(ZnFe2O4)复合石墨烯(rGO)/二氧化钛(TiO2)材料的设计、制备以及性能检测等，开展了以催化剂为核心的光催化研究，揭示了催化剂生长机理和结构控制途径，探明了催化剂矿化有机物的反应机理，诠释了催化材料的组成-结构-催化性能间的构效关系。本文主要研究内容如下所示:
　　(1)以鳞片石墨为原料，以改进的Hummers法制备出氧化石墨，将氧化石墨分散在水溶液中，通过原位沉积还原法成功制备出纳米ZnFe2O4-rGO复合材料，采用多种表征方法对所制备的催化剂进行了相关表征测试，结果表明ZnFe2O4-rGO复合材料中的ZnFe2O4纳米颗粒成功负载在石墨烯片层表而。在可见光-类Fenton催化体系中，研究了复合材料活化过一硫酸盐(PMS)并光照催化降解有机污染物的性能。分析了反应动力学常数、阴离子种类和浓度对催化反应的影响、催化剂的稳定性以及催化降解反应机理，探究了复合材料中铁酸锌和石墨烯分别起到的作用。研究结果表明，复合材料比纯ZnFe2O4表现出更高的催化活性，说明石墨烯片层不仅为ZnFe2O4纳米颗粒提供了巨大的载体，促进复合材料电子转移，同时还能活化PMS产生硫酸根活性自由基，提高材料催化性能。此外反应体系中加入部分钠盐发现染料降解效率提高，氯离子浓度为0.5M时降解速率提高了近5倍，降解反应时间由150分钟缩短为35分钟。
　　(2)通过共沉淀法制备出ZnFe2O4前驱体，经高温煅烧得到磁性ZnFe2O4颗粒，采用蒸汽热法制备出N-TiO2/ZnFe2O4杂化材料，采用多种光讲和微观表征方法对所制备的催化剂进行了相关表征测试。测试结果表明，TiO2与ZnFe2O4通过异质结结构紧密的结合在一起，少量的氮元素掺杂并未改变材料的晶体结构以及元素价态。通过紫外-可见光激发研究了催化剂催化降解有机染料的催化活性，考察了催化剂用量和有机染料种类对催化反应的影响，分析了染料的降解速率，探明了N掺杂和TiO2与ZnFe2O4形成异质结结构对提高材料催化性能的影响。阐述了光催化反应过程中自由基的产生方式及其催化作用机理。研究结果表明，氮掺杂催化剂对罗丹明B(RhB)的降解速率(0.0434min-1)是未掺杂样品降解速率(0.0132min-1)的2.5倍，适量的非金属元素掺杂有利于提高材料催化降解有机污染物的性能，并且材料优异的磁性使其具有广阔的应用前景。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光催化氧化技术

1．3 铁酸锌简介

1．3．1 铁酸锌的晶体结构

1．3．2 铁酸锌在光催化领域的研究进展

1．4 石墨烯简介

1．4．1 石墨烯的结构

1．4．2 石墨烯在光催化领域的研究进展

1．5 二氧化钛简介

1．5．1 二氧化钛半导体结构

1．5．2 二氧化钛在光催化领域的研究进展

1．6 本文研究思路和主要内容

第二章 实验方法及原理

2．1 主要实验试剂与实验仪器

2．2 材料表征测试设备

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)

2．2．4 X-射线光电子能谱(XPS)

2．2．5 紫外可见漫反射光谱(UV-Vis spectra)

2．2．6 热重(TG)和差示扫描量热(DSC)

2．2．7 拉曼光谱(Raman)

2．2．8 红外吸收光谱(FT-IR)

第三章 铁酸锌-石墨烯复合材料的合成及其可见光-类Fenton光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验试剂和实验仪器

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 铁酸锌-石墨烯复合材料的制备、表征及-陛能测试

3．3．1 氧化石墨的制备

3．3．2 铁酸锌-石墨烯复合材料的制备

3．3．3 催化材料的表征

3．3．4 材料催化性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 铁酸锌-石墨烯复合材料的表征

3．4．2 铁酸锌-石墨烯复合材料的催化性能评价

3．5 本章小结

第四章 氮掺杂二氧化钛／铁酸锌杂化材料的制备及其光催化降解有机污染物的研究

4．1 引言

4．2 实验试剂和实验仪器

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 N-TiO2／ZnFe2O4杂化材料的制备、表征及其性能测试

4．3．1 尖晶石ZnFe2O4的制备

4．3．2 N-TiO2／ZnFe2O4杂化材料的制备

4．3．3 杂化材料的表征

4．3．4 杂化材料催化性能测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 N-TiO2／ZnFe2O4杂化材料表征

4．4．2 N-TiO2／ZnFe2O4杂化材料的催化性能评价

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况