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四针状氧化锌晶须的表面改性及其光催化性能研究

作　者: 王婕
导　师: 范希梅
学　校: 西南交通大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: Ag/T-ZnOw CuO/T-ZnOw Cu2O/T-ZnOw 光催化降解甲基橙
分类号: TN304.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

半导体光催化技术能够利用氧化还原反应来分解有机污染物,因而被广泛应用于污水处理、杀菌以及空气净化等方面。目前氧化锌(ZnO)半导体是研究的热点,但是由于其较大的禁带宽度(3.2 eV),仅能在一定程度上降解有机物。为了提高氧化锌的光催化效率,本文先后采用贵金属沉积法和半导体复合法来对氧化锌进行改性处理。本文的研究工作分为以下3个方面：1.采用光还原法以硝酸银为原料,聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)为溶剂、保护剂和还原剂,在紫外光下成功将一价银离子还原成零价金属银并沉积在四针状氧化锌晶须(Tetrapod-like ZnO whisker, T-ZnOw)上。通过改变Ag与ZnO的摩尔比(Molar ratio, MR)和PEG的浓度分析了二者对Ag/T-ZnOw复合材料中纳米银颗粒的数量、形貌和尺寸的影响,并结合光催化机理讨论了二者对复合材料光催化性能的影响。结果表明,随着Ag/Zn摩尔比的增大,沉积在氧化锌晶须表面的纳米银颗粒的数量也会随之增多；随着PEG浓度的增加,纳米银颗粒的尺寸和Ag/T-ZnOw复合材料的禁带宽度都会随之减小,而比表面积则随之增大。上述形貌和结构的变化也引起了复合材料光催化性能的变化。当Ag/Zn<14.4%时,Ag/Zn值越大,Ag/T-ZnOw复合材料的光催化性能越好；而进一步增大Ag/Zn到14.4%时,复合材料的光催化效率反而有所降低；当PEG浓度≤0.08 mol/L时,PEG浓度越大,复合材料的光催化性能越好；PEG浓度>0.08 mol/L时,复合材料的光催化性能反而下降。2.在紫外光下利用低温水浴分解法以硝酸铜为原料,聚乙二醇为溶剂、模板剂和保护剂成功制得微米级的叶片状氧化铜和纳米级的针状氧化铜并沉积在四针状氧化锌晶须表面。通过改变Cu/Zn的摩尔比和PEG的浓度分析了二者对CuO/T-ZnOw复合材料中叶片状和针状CuO的数量、形貌和晶粒尺寸的影响,并结合光催化机理讨论了二者对复合材料光催化性能的影响。结果表明,当固定PEG浓度为0.01 mol/L时,CuO/T-ZnOw样品中的CuO数量会随Cu/Zn摩尔比的增大而增加,且此时的所有样品中CuO的形貌均为叶片状。当Cu/Zn时,Cu/Zn摩尔比越大,复合材料的光催化性能越好；而Cu/Zn>9.6%时,样品的光催化效率反而降低。当固定Cu/Zn=2.4%而改变PEG浓度时,随着PEG浓度的增大,CuO/T-ZnOw复合材料中的CuO的数量会增多,并且CuO的颗粒尺寸也会随之减小。当PEG浓度≥0.04 mol/L时,CuO的形貌已经完全变为纳米针状,说明PEG浓度对CuO的颗粒尺寸和形貌有非常重要的作用；而当PEG浓度≤0.06 mol/L时,PEG浓度越大,复合材料的光催化性能越好；进一步增大PEG浓度反而会使复合材料的光催化性能降低。3.采用高温还原法以硝酸铜为原料,乙二醇(Ethylene glycol, EG)为溶剂,聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl chloride, PVP)为保护剂在180°C下成功制得微米级的立方块状氧化亚铜(Cu20)颗粒并沉积在四针状氧化锌晶须表面。通过改变Cu/Zn的摩尔比和PVP添加量分析了二者对Cu2O/T-ZnOw复合材料中立方块状Cu20的数量、形貌和颗粒尺寸的影响,并结合光催化机理讨论了二者对复合材料光催化性能的影响。结果表明,当固定PVP添加量为0.06 g时,不同Cu/Zn摩尔比的Cu2O/T-ZnOw复合材料中的Cu20数量会随Cu/Zn值的增大而增加,但Cu20的晶粒尺寸会随之减小,并且此时所有的样品中Cu20的形貌均为立方块状。当Cu/Zn≤7.2%时,Cu/Zn值越大,样品的光催化性能越好；而Cu/Zn>7.2%时,样品的光催化性能反而降低。固定Cu/Zn摩尔比并改变PVP添加量后,在Cu/Zn=2.4%的体系中时,当PVP添加量≤0.08 g时,复合材料样品中的Cu20数量随PVP添加量的增加而增大,且此时Cu20颗粒的形貌均为立方块状；当PVP添加量>0.08时,Cu20颗粒逐渐变为球状。说明PVP添加量对Cu20颗粒的形貌有一定的控制作用；另外,当PVP添加量≤0.08 g时,PVP添加量越多,样品的光催化效率越高,而PVP添加量>0.08 g时,光催化效率反而下降。本文制备样品所采用的方法均能一次性合成不同形貌和比例的复合材料,且简单易行,适合大批量生产。所制得的复合材料对甲基橙具有很高的光催化降解率,有望在污水处理和空气净化方面获得应用。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第1章绪论  12-23
  1.1 课题背景  12-13
  1.2 半导体光催化材料的改性处理  13-16
    1.2.1 半导体材料的改性方法  13-15
    1.2.2 影响半导体光催化作用的主要因素  15-16
  1.3 氧化锌半导体光催化剂  16-22
    1.3.1 氧化锌的性质  16-17
    1.3.2 纳米氧化锌的制备  17
    1.3.3 氧化锌的用途  17-18
    1.3.4 氧化锌光催化剂的研究现状  18-22
  1.4 论文选题和主要内容  22-23
第2章银沉积氧化锌晶须复合材料的制备及其光催化性能研究  23-42
  2.1 引言  23-24
  2.2 实验部分  24-25
    2.2.1 实验原料和设备  24
    2.2.2 样品制备  24-25
    2.2.3 光催化性能的检测  25
  2.3 实验结果及讨论  25-41
    2.3.1 不同Ag/Zn摩尔比的影响  25-30
    2.3.2 不同PEG浓度的影响  30-41
  2.4 小结  41-42
第3章氧化铜复合氧化锌晶须半导体材料的制备及其光催化性能研究  42-56
  3.1 引言  42
  3.2 实验部分  42-43
    3.2.1 实验原料和设备  42-43
    3.2.2 样品制备  43
    3.2.3 光催化性能的检测  43
  3.3 实验结果及讨论  43-54
    3.3.1 不同Cu/Zn摩尔比的影响  43-47
    3.3.2 不同PEG含量的影响  47-54
  3.4 小结  54-56
第4章氧化亚铜复合氧化锌晶须纳米材料的制备及其光催化性能研究  56-67
  4.1 引言  56-57
  4.2 实验部分  57-58
    4.2.1 实验原料和设备  57
    4.2.2 样品制备  57
    4.2.3 光催化性能的检测  57-58
  4.3 实验结果及讨论  58-66
    4.3.1 不同Cu/Zn摩尔比的影响  58-62
    4.3.2 不同PVP含量的影响  62-66
  4.4 小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-77
致谢  77-78
攻读硕士学位期间发表的论文  78

四针状氧化锌晶须的表面改性及其光催化性能研究

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