新型ZnS/Cds-C纳米复合材料的制备及其在污染物去除中的应用研究

摘要

随着工业化进程的加速，全球都面临着能源危机和环境污染的问题。金属硫化物ZnS和CdS半导体纳米材料，由于其优良的光电催化性质和在光电催化领域极大的应用潜力而受到广泛关注。目前制备金属硫化物的方法存在耗能高、工艺复杂;所得材料纯度低、结晶度低、分散性差等问题。同时ZnS和CdS本身存在活性低，稳定性差等问题。基于以上问题，本文以有机-无机层状氢氧化物为前驱体，通过简单、低廉、可控的方法制备了高活性、高稳定性、高分散性的ZnS/CdS-HBA纳米复合材料和ZnS/CdS-C纳米复合材料，并对其光催化降解污染物的性能做了探究。本文的主要研究内容和结论如下:
　　1.以苯甲酸根(BA)插层的层状氢氧化锌纳米棒为前驱体，经原位气固硫化反应和阳离子交换制备了一维ZnS/CdS-HBA纳米复合材料。对一维ZnS/CdS-HBA纳米材料的结构、形貌做了详细的表征。ZnS/CdS-HBA纳米棒直径约300 nm，长约50μm，ZnS和CdS粒径在5 nm左右。XPS和FTIR表明了样品中COO-Zn键的存在，而该化学键是ZnS和CdS均匀分散在一维HBA纳米阵列当中的关键。
　　2.以一维ZnS/CdS-HBA为原料，一步固态热解制备了一维ZnS/CdS-C纳米复合材料。对一维ZnS/CdS-C纳米复合材料的形貌、结构做了详细的表征。所得结果显示，样品的长度约50μm，直径约300 nm，由粒径在10nm左右的ZnS、CdS和C紧密堆积而成。FTIR中C=O和苯环上C-H键的消失说明HBA分子在热解过程中脱羧脱氢后原位转变为石墨碳结构。XPS和FTIR表明了样品中C-O-Zn键的存在，ZnS和C通过该键形成强的相互作用。HRTEM结果显示ZnS和CdS分散均匀、结晶度高，紧密接触形成异质结，能够促进光生电子-空穴的分离。UV-Vis表明样品在紫外光区和可见光区均有吸收。研究了不同的焙烧温度对材料的形貌和结构的影响。随着焙烧温度的升高(400-800℃)，N2的吸脱附曲线表明样品比表面积由169.2 m2/g降到了37.5 m2/g。Raman表明碳的石墨化程度不断提高，HRTEM显示材料表面的颗粒尺寸由10nm增加到了15nm左右，样品的晶格条纹明显，具有很高的结晶度。
　　3.将一维ZnS/CdS-C纳米复合材料应用于降解有机污染物，详细研究了焙烧温度、溶液pH值对光催化性能的影响。ZnS/CdS-C在全谱光的条件下降解有机污染物(亚甲基蓝(MB)、罗丹明B(RhB)、橙黄Ⅱ(OrangeⅡ)、伊文斯兰(EB)、刚果红(CR))20 min即可降解50％以上，尤其MB可达80％，降解效率与商业二氧化钛P25相当，是ZnS-C材料的2倍。该材料在pH值2～11的环境中，连续6次重复利用实验，降解污染物的效率都在70％以上。该材料降解不同的污染物在2h内，降解效率在90％以上。本文对该材料的结构与性能的关系做了探究，高分散性和较大的比表面积能够使催化剂与反应物接触充分，ZnS和CdS形成异质结促进了光生电子-空穴的分离，C又具有良好的导电性，能够将产生的电子传递至材料表面。良好的光催化活性和稳定性为一维ZnS/CdS-C纳米复合材料应用的工业化提供了可能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 硫化物半导体材料

1．2．1 硫化物半导体材料的简介

1．2．2 硫化物半导体材料的制备方法

1．2．3 硫化物半导体的光催化性质

1．2．4 硫化物半导体的改性方法

1．3 纳米碳材料的概述

1．3．1 碳材料的制备

1．3．2 碳纳米材料在光位化领域的应用

1．4 层状金属氢氧化物

1．4．1 层状金属氢氧化物结构

1．4．2 层状金属氢氧化物性质

1．4．3 LDHs的制备方法

1．5 本论文研究的内容，目的和意义

第二章 一维ZnS／CdS-HBA纳米复合材料的制备及其组成结构表

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂和器材

2．2．2 样品制备

2．2．3 样品表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 一维Zn(OH)BA纳米纤维材料的结构表征

2．3．2 一维ZnS-HBA的结构表征

2．3．3 阳离子交换的不同江度对一维ZnS／CdS-HBA的影响

2．3．4 Zn与Cd的不同比例对ZnS／CdS-HBA的影响

2．3．5 ZnS(1)／CdS(1．488)-HBA的结构表征

2．3．6 ZnS／CdS-HBA的XPS表征

2．4 小结

第三章 一维ZnS／CdS-C纳米复合材料的制备及结构表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂及器材

3．2．2 样品制备

3．2．3 样品表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 Zn／Cd不同比倒对一维棒状ZnS／CdS-C复合纳米材料的影响

3．3．2 一维ZnS／CdS-C纳米复合材料的结构表征

3．3．3 焙烧不同温度对一维棒状ZnS／CdS-C三元复合纳米材料的影响

3．4 本章小结

第四章 一维ZnS／CdS-C纳米复合材料光催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 实验药品及试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 光催化降解染料的实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 CdS对于ZnS／CdS-C光催化能力的影响

4．3．2 焙烧温度的不同对于ZnS／CdS-C光催化能力的影响

4．3．3 染料pH值的不同对于ZnS／CdS-C光催化能力的影响

4．3．4 不同染料对于ZnS／CdS-C光催化能力的影响

4．3．5 不同pH值环境对ZnS／CdS-C光催化稳定性的影响

4．3．6 ZnS／CdS-C材料的结构与性能关系的探究

4．4 本章小结

第五章 结论

论文创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表论文情况

作者和导师简介