ZnO-石墨烯及g-C3N4-TiO2的光催化性能研究.pdf

1、近年來,環(huán)境污染問題越來越受到人們的關(guān)注和重視。在眾多污染物中,染料工業(yè)產(chǎn)生的廢水色度高、水量大、組成成分復(fù)雜,對生態(tài)環(huán)境、人類健康影響嚴(yán)重,屬于比較難處理的工業(yè)廢棄物之一。光催化技術(shù)是一種在能源和環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的綠色技術(shù),在太陽光照射條件下可將大多數(shù)有機(jī)污染物降解為無毒的CO2、H2O和其他小分子。在眾多可用于光催化反應(yīng)的化合物中,ZnO和TiO2因其催化活性高、安全無毒、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。然而,ZnO和TiO2的

2、催化效率受到以下因素制約:(1)ZnO(Eg=3.3 eV)和TiO2(Eg=3.2 eV)的寬禁帶影響了對太陽光能的利用率;(2)ZnO和TiO2半導(dǎo)體表面的光生電子和空穴對極易復(fù)合,從而大大降低了催化劑的光催化性能。針對以上問題,本文通過對ZnO粒子的尺度和形貌調(diào)控以及通過生成ZnO、TiO2復(fù)合物的方法以提高光催化劑的催化效率。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、以Zn(CH3COO)2·2H2O, LiOH·H2O, Zn(NO

3、3)2·6H2O和六亞甲基四胺(HMT)為原料,結(jié)合溶膠凝膠法和水熱法制備了不同長徑比的ZnO納米棒。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X-射線衍射(XRD)、熒光光譜(PL)等技術(shù)對樣品進(jìn)行表征和分析。研究結(jié)果表明,通過改變水熱過程中反應(yīng)物的濃度可以實現(xiàn)對ZnO納米棒吸光性質(zhì)的調(diào)控。同時以亞甲基藍(lán)(MB)為底物,詳細(xì)地研究了ZnO納米棒的光催化降解性能,發(fā)現(xiàn)水熱條件下反應(yīng)物濃度為12mM時制備的ZnO納米棒具有最

4、高的光催化效率,其對MB的光催化降解速率是溶膠凝膠法制備ZnO的6倍。經(jīng)過5次重復(fù)實驗后發(fā)現(xiàn)ZnO-12mM納米棒對MB的光催化降解率仍在80％以上,說明該催化劑可以重復(fù)使用。
　　2、以Zn(CH3COO)2·2H2O,LiOH·H2O和氧化石墨烯(GO)為反應(yīng)物,通過溶膠凝膠法制備了ZnO-GO復(fù)合材料。通過對ZnO-GO在不同溫度下熱處理得到了氧化鋅石墨烯復(fù)合物(ZnO-rGO)。通過SEM、TEM、XRD、PL、X-射線光

5、電子能譜(XPS)、拉曼光譜(Raman)、熱重分析(TGA)等手段對樣品進(jìn)行表征。結(jié)果表明,在石墨烯(rGO)片的兩面均勻分散著ZnO納米粒子。與純ZnO納米粒子對比,發(fā)現(xiàn)ZnO與rGO復(fù)合后其晶格常數(shù)和帶隙寬度都發(fā)生了改變。以MB為目標(biāo)降解物,研究了ZnO-rGO的光催化降解活性。結(jié)果表明當(dāng)熱處理溫度為200℃,rGO含量為2.5%時,ZnO-rGO復(fù)合材料具有最高的光催化活性,其催化效率是純ZnO納米粒子的3倍。最優(yōu)ZnO-rGO

6、復(fù)合材料經(jīng)過5次光催化降解實驗后,其催化效率仍在80%以上,而且每次光催化循環(huán)實驗中,ZnO-rGO復(fù)合材料光催化降解MB的效率都比純ZnO納米粒子高。
　　3、為了扣除rGO對底物分子過多的吸附而對催化劑光催化效率評價不準(zhǔn)的影響,以ZnO-GO為晶種,Zn(NO3)2·6H2O與HMT為反應(yīng)物,通過水熱法制備了含有不同量rGO的ZnO-rGO復(fù)合物。通過XRD、SEM、TEM、XPS、Raman、紫外-可見吸收光譜等手段對制得的

7、樣品進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,在水熱過程中由于HMT分解為甲醛和氨,復(fù)合物中的GO被還原為rGO。此外,在扣除復(fù)合物對底物分子過多吸附的情況下,詳細(xì)研究了ZnO-rGO復(fù)合物光催化降解MB的性能。結(jié)果表明制備條件對復(fù)合物的光催化活性有很大的影響。這種簡單、低成本的制備方法將有利于ZnO-rGO在光催化領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　4、為了提高催化劑對可見光的利用率,在半封閉不銹鋼容器中,通過直接加熱三聚氰胺或TiO2(P25)與三聚氰

8、胺的混合物,制備了g-C3N4和g-C3N4/TiO2復(fù)合材料。得到的樣品通過XRD、XPS、紫外可見漫反射光譜(DRS)、PL、TGA、SEM和TEM等手段進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明,g-C3N4/TiO2復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、紫外可見漫反射光譜和熒光光譜隨著復(fù)合材料中各組分配比的變化而變化。與TiO2相比,復(fù)合材料中Ti3d的XPS峰向低結(jié)合能方向略微移動。詳細(xì)研究了g-C3N4/TiO2復(fù)合材料在可見光(400-600nm)下光催化降解