新型光催化劑的設計、合成及其光催化性能研究.pdf

1、因為近些年來的環(huán)境污染與能源短缺問題越來越嚴重，而光催化技術具有解決能源和有機物污染處理問題的潛在應用前景，所以得到了廣泛的研究與應用并且成為研究的熱點之一。1972年A.Fujishima等在Nature雜志上發(fā)表了并提出了有關TiO2在單晶電極上光分解水制氫的結果，自此標志著光催化新時代的開始。目前所開發(fā)的光催化材料主要集中在金屬氧化物，如TiO2、SrTiO3。這些半導體光催化材料具有價格低廉、化學穩(wěn)定性高、紫外光光催化效率高等眾

2、多突出優(yōu)點。但這些傳統(tǒng)光催化材料的缺點是只吸收紫外光，只能在紫外光照射下發(fā)生光降解。我們已知紫外光能量只占太陽光能量的5％，這會直接導致它的太陽能轉換效率較低，嚴重制約了其實際應用。因而，探索新的提高傳統(tǒng)光催化材料效率的途徑就顯得尤為重要。
　　 在本論文中，我們提出了簡便可控的方法設計和合成新型的光催化材料ZnO，異質結復合光催化材料g-C3N4-ZnO，納米孔洞金屬-有機骨架MIL-100(Fe)，并研究了這些新型光催化材料

3、的應用價值。本論文主要內容有如下三點：
　　 1.我們創(chuàng)新性的提出了一種用金屬-有機骨架材料設計與合成具有形貌可控的ZnO光催化材料，并研究了其光催化礦化甲基橙(MO)色素性質。在常溫常壓下，使用超聲法快速制備了具有二維結構的金屬-有機骨架[Zn3(BTC)2·12H2O]，然后以其作為前軀體，通過煅燒熱處理制備氧化鋅，詳細研究了煅燒溫度及煅燒時間對所制備ZnO的形貌及相組成的影響，并考察了所制備ZnO光催化礦化甲基橙染料性能。

4、研究發(fā)現，煅燒溫度和時間對[Zn3(BTC)2·12H2O]的分解具有重要影響。隨燒結溫度升高，[Zn3(BTC)2·12H2O]的骨架逐漸破壞，在450℃煅燒1h后ZnO形成，在此溫度下，延長煅燒時間到4h，形成單一的ZnO。煅燒溫度對ZnO的形成具有明顯影響。升高溫度到500℃，煅燒2h即可得到單一的ZnO。掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表明，通過控制煅燒時間和溫度，能夠很好的調控ZnO納米粒子尺寸和形貌。光催化性能測試表明，所制備的

5、ZnO的光催化性能與氧化鋅的形貌、相組成有很大的關系，在500℃煅燒120 min的所制備的ZnO表現出較好的礦化甲基橙性能。我們期望該方法將會為可控變量制備不同形貌的金屬氧化物光催化劑等領域提供一個有效的平臺。
　　 2.利用g-C3N4的可見光響應性能、較高的導帶位置、易于金屬氧化物構成界面的C、N組分及其獨特的具有較高載流子輸運性能的層狀結構特征，設計g-C3N4這一種新型的非金屬光催化材料與傳統(tǒng)金屬氧化物ZnO構成異質結

6、g-C3N4-ZnO復合光催化劑，以提高光生載流子的濃度及抑制光生電子-空穴對的復合，從而提高光催化降解污染物性能。以三聚氰胺和二水合醋酸鋅作為前驅體通過簡單的一步煅燒法制備了具有不同氧化鋅質量分數的產物，分別用紅外光譜(FT-IR)，粉末X-衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)，高分辨顯微鏡(HR-TEM)，光電子能譜(XPS)對在獲得的產物進行結構表征，結果證實獲得的產物就是目標產物。通過光催化性能測試表明所獲得的異質結復合光催化材料

7、g-C3N4-ZnO具有非常好的光催化降解能力，其光催化降解甲基橙染料反應速率是純g-C3N4的3.5倍，降解對硝基苯酚(NP)的速率是純g-C3N4的6倍。這種基于g-C3N4異質結復合光催化材料將會帶動應用于開發(fā)新型高效的光催化劑提供一定的實驗依據和有益的理論參考。
　　 3.設計了一種新型的基于納米孔洞金屬.有機骨架MIL-100(Fe)的Fenton體系。實驗考察了MIL-100(Fe)的在不同PH值情況下的光Fento

8、n性能實驗，實驗數據表明在PH=4的情況下，MIL-100(Fe)與雙氧水組成的新的Fenton體系12分鐘后就使MO的降解率就達到了99％，降解速率非?？?。PH大于或等于4時MO降解速率較慢。此外，我們對在PH=7的中性環(huán)境時同樣條件下MIL-100(Fe)與鐵的離子形態(tài)二價鐵、鐵的固體態(tài)四氧化三鐵的光Fenton對比實驗進行了研究，通過實驗數據，我們得出了MIL-100(Fe)的光Fenton性質較鐵的離子念和固體態(tài)都優(yōu)越，60分鐘

9、可以將MO降解完全，固態(tài)四氧化三鐵降解需要80分鐘，而傳統(tǒng)的二價鐵離子在PH=7的時候降解基本沒有脫色，分解基本沒有進行。由此可見MIL-100(Fe)在PH=7的情況下依舊能較快的完成光Fenton實驗。新型的Fenton體系相比傳統(tǒng)的Fenton體系更具有優(yōu)勢，同時該新型的光Fenton催化劑其pH適應范圍廣、制備簡單、可以循環(huán)利用、易回收、不會造成二次污染。這種新型的Fenton體系催化劑將會為在實際廢水處理中的帶來廣闊的應用前景