纳米ZnO及BG/ZnO复合材料的制备及其光催化性能

摘要

随着经济的急速发展，环境问题越来越亟待解决。水污染的治理越来越受到重视，作为一种无污染、无毒、低成本的治理手段，光催化技术被广泛的应用于光降解有机染料领域。光催化技术主要是通过光照射半导体材料时，半导体材料的价带电子发生带间跃迁从而引起半导体材料内部光生电子和空穴的分离，电子具有还原性，空穴具有强氧化性，然后，光生空穴和电子再与离子或分子结合生成具有还原性或者氧化性的活性自由基，活性自由基可以将有机污染物中的有机分子氧化为无污染的物质进而达到降解有机污染物的效果。但是电子在跃迁的过程中，大量的电子会与空穴复合，进而降低光降解有机染料的效率。寻找一种具有高降解效率的光催化剂尤为重要，ZnO半导体材料具有环境友好和光稳定性等优点，本文研究了氧化锌ZnO中氧空位的含量对其光催化性能的影响;利用原位水热法合成具有p-n异质结的纳米复合材料并研究其光催化性能。具体研究内容及结论如下:　　(1)以锌粉为原料，采用一步水热氧化法合成棒状纳米ZnO。通过在N2，O2和空气氛围中高温煅烧来控制产物中氧空位的含量。通过X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X光电子能谱仪(XPS)和紫外-可见分光光度计(UV-vis)来表征样品的结晶度、形貌和氧空位含量对光催化效率的影响。结果表明，少量乙酰丙酮可以加速锌粉氧化形成氧化锌，合成的氧化锌在不同气氛中煅烧可以改变样品光谱吸收范围和氧空位含量。光照40分钟时，空气中煅烧的氧化锌的降解亚甲基蓝的效率已经高达95.6％，未煅烧的氧化锌的降解效率为89.3％，O2中煅烧的氧化锌的降解效率为62.9％，N2中煅烧的氧化锌的降解效率为61％。光降解效率的不同可能与氧空位的含量有关，适量的氧空位可以加速电子-空穴对的分离和抑制复合提高光降解有机染料的效率，太多或者太少的氧空位都不利于光催化降解，因此，可以通过煅烧法控制氧空位的含量来提高光催化效率。　　(2)通过改进的Hummer法合成氧化石墨烯，并通过水热法成功制备了石墨烯和氧化锌纳米复合材料(r-GO/ZnO)。水热合成出r-GO/ZnO复合材料，并将其进行光催化实验，发现在120℃下反应4小时合成的r-GO/ZnO复合材料的光催化降解效率最高，光降解60min后，效率高达95％。因此水热合成该复合材料的最佳反应时间以及最佳反应温度为120℃，4小时。　　(3)本实验通过四氢呋喃硼烷为硼源化学还原-掺杂方法，成功合成出了p型半导体材料硼掺杂石墨烯(BG)。光电子能谱、红外等表征手段一致证实硼原子成功掺杂到石墨烯片层中。通过原位水热法成功制备了硼掺杂石墨烯复合氧化锌纳米复合材料(BG/ZnO)。在该条件下将硼掺杂石墨烯复合氧化锌形成具有p-n异质结纳米复合材料。在光催化过程中，p-n异质结可以提高电子载流子的转移效率和抑制光生电子和空穴的复合进而提高光催化效率。将复合材料进行光降解亚甲基蓝染料的模拟实验可以发现硼掺杂石墨烯复合氧化锌复合材料的光降解效率(k=76.2×10-3 min-1)远远大于r-GO/ZnO(k=24.3×10-3min-1)和纯ZnO(k=17.1×10-3 min-1)。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光催化原理

1．3 纳米半导体异质结复合材料

1．4 本论文选题目的和研究内容

1．4．1 选题目的

1．4．2 研究内容

第二章 直接水热氧化合成氧化锌及氧空位对其光催化效果的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要试剂和仪器

2．2．2 实验步骤

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同添加剂对制备氧化锌的影响

2．3．2 不同的反应时间对制备氧化锌的影响

2．3．3 不同氧空位含量对光催化影响

2．4 本章小结

第三章 r-GO／ZnO复合材料的合成及其光降解效率

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要试剂和原料

3．2．2 实验步骤

3．2．3 试样表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同反应时间对制备r-GO／ZnO复合材料的影响

3．3．2 不同反应温度制备对r-GO／ZnO复合材料的影响

3．3．3 不同石墨烯含量的r-GO／ZnO复合材料

3．4 本章小结

第四章 p-n异质结型BG／ZnO复合物的合成及光催化性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂

4．2．2 p-n异质结复合材料的合成

4．2．3 材料的表征

4．2．4 光催化降解效率

4．3 结果与讨论

4．3．1 制备含有不同硼含量掺杂的石墨烯(BG)

4．3．2 制备p-n异质结复合材料

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文