納米ZnO及復(fù)合物的可控制備與光催化性能研究.pdf

1、納米氧化鋅(ZnO)是一種新型多功能無機材料,由于其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì),在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,尤其是在與人類生存和健康密切相關(guān)的環(huán)境凈化方面顯示了獨特的優(yōu)勢。因此,對于納米ZnO的制備、改性和光催化性能研究,已經(jīng)成為當(dāng)今的研究熱點之一。本論文在概述了半導(dǎo)體光催化反應(yīng)的基本原理及影響因素和納米ZnO在光催化方面的研究進展的基礎(chǔ)上,先后采用微波法、化學(xué)沉淀法和水熱法制備了納米ZnO粉體、納米Ag/ZnO復(fù)合物及ZnO陣列,并對所制

2、備的粉體和陣列的光催化性能進行了探討分析。主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　采用微波法制備了納米ZnO粉體,研究了微波輻射時間、反應(yīng)物濃度和微波功率對ZnO形貌和尺寸的影響。當(dāng)微波輻射時間較短時(5min),溶液中形成的ZnO粉體多數(shù)呈短棒狀;當(dāng)微波輻射時間為10min時,形成的ZnO粉體多數(shù)呈現(xiàn)雙節(jié)棒狀結(jié)構(gòu),尺寸分布較為均勻,雙節(jié)棒狀結(jié)構(gòu)的形成經(jīng)歷了形核、生長和連接三個階段;當(dāng)延長微波輻射時間至30min時,ZnO棒的頂端有被溶解

3、的跡象,同時也出現(xiàn)了少量X型棒狀結(jié)構(gòu)和微米花。在反應(yīng)物濃度較低時(0.02M),ZnO雙節(jié)棒細長,并且直徑從中間向兩端減小,形成針狀結(jié)構(gòu)。在微波功率較低時(120W),由于反應(yīng)體系的能量低,ZnO生長速度相對較慢,有利于小直徑、大長徑比的雙節(jié)棒的形成。以紫外光下亞甲基藍溶液的降解為模型反應(yīng)來研究了不同長徑比的ZnO雙節(jié)棒的光催化性能,結(jié)果表明:隨著長徑比的逐漸增大,ZnO雙節(jié)棒的光催化性能逐漸提高。
　　在較低的微波功率下(120

4、W),采用一步微波法制備了納米Ag/ZnO復(fù)合物。該復(fù)合物是由棒狀的ZnO和附著于ZnO表面的顆粒狀的單質(zhì)Ag組成。在制備過程中,六次甲基四胺(HMTA)對Ag/ZnO復(fù)合物的形成起了至關(guān)重要的作用。HMTA一方面提供NH3,與鋅離子Zn2+和銀離子Ag+反應(yīng)分別生成Zn(NH3)42+和Ag(NH3)2+絡(luò)合物,另一方面分解產(chǎn)生HCHO,將Ag2O還原為單質(zhì)Ag。通過XPS分析和能帶理論闡釋了Ag/ZnO復(fù)合物中Ag與ZnO的相互作用

5、機制。由于Ag的費米能級高于ZnO的費米能級,當(dāng)二者相互接觸時,電子從Ag的費米能級向ZnO的費米能級遷移,達到能量平衡后形成新的費米能級。光催化測試結(jié)果表明:與純ZnO粉體相比,納米Ag/ZnO復(fù)合物的光催化性能有了顯著的提高,當(dāng)Ag的含量較低時(≤1.5％),納米Ag/ZnO復(fù)合物的光催化活性隨著Ag含量的增加而不斷提高,但Ag含量進一步增加至2.0%時,納米Ag/ZnO復(fù)合物的光催化活性下降。
　　以葡萄糖作為還原劑,采用一

6、步化學(xué)沉淀法制備了納米Ag/ZnO復(fù)合物。在納米Ag/ZnO復(fù)合物中,ZnO呈棒狀結(jié)構(gòu),納米Ag顆粒均勻地附著于ZnO表面。在制備過程中,鋅離子Zn2+和銀離子Ag+分別與OH-離子反應(yīng)生成Zn(OH)42-和Ag(OH)2-絡(luò)合物,在70℃的堿性溶液環(huán)境中,Zn(OH)42-和Ag(OH)2-之間發(fā)生脫水反應(yīng),生成以Zn-O-Ag鍵結(jié)合的Ag2O/ZnO晶核,而作為還原劑的葡萄糖進一步將Ag2O/ZnO晶核還原為Ag/ZnO晶核。在后

7、續(xù)的生長過程中,ZnO生長為棒狀結(jié)構(gòu),Ag生長為顆粒狀附著于ZnO棒的表面。光催化測試結(jié)果表明:當(dāng)Ag含量由0.5%提高到1.5%時,納米Ag/ZnO的光催化性能隨著Ag含量的增加而提高,而當(dāng)將Ag含量由1.5%提高到8.0%時,納米Ag/ZnO的光催化性能則隨著Ag含量的增加而降低。通過亞甲基藍溶液的循環(huán)光催化降解實驗研究了具有最佳Ag含量(1.5%)的納米Ag/ZnO復(fù)合物和純ZnO粉體的光穩(wěn)定性。與純ZnO粉體相比,納米Ag/Zn

8、O復(fù)合物顯示了較好的光催化穩(wěn)定性,經(jīng)過五次循環(huán)光催化降解實驗后,其光催化性能沒有明顯的改變。
　　采用水熱法大面積地制備了巢穴狀、塔狀和花狀三種形貌的ZnO陣列。ZnO種子膜的成膜條件影響了ZnO陣列的形貌。室溫?zé)晒夤庾V顯示了三種陣列具有相似的三個熒光發(fā)射峰,分別為:在390-400nm處的紫外熒光峰,在470nm附近的綠光熒光峰和在590nm附近的黃光熒光峰。光催化測試結(jié)果表明:與花狀和塔狀ZnO陣列相比,巢穴狀ZnO陣列具有更