论文部分内容阅读
氧化锌是一种性能优异的光催化材料,具有光敏性高、无毒、带隙宽等优点,在光催化降解水中污染物领域具有很好的应用前景。然而,粉末状纳米氧化锌在应用中存在团聚及回收困难等问题,如何实现纳米氧化锌的分散及固定以满足实际应用的要求仍然是挑战。近年来,一维碳纳米纤维（CNF）因其尺度小引起越来越多的关注,纳米尺寸的碳纤维可以实现催化剂的均匀固定,改善催化剂的团聚问题,还可能转移光生电子,抑制电子空穴对的复合,有利于光催化性能的提升。因此,本论文以纳米纤维为载体,以纳米氧化锌为目标光催化剂,以制备光催化性能优异的复合纳米纤维为目的,开展了以下研究工作:（1）以含氯化锌（ZnCl2）的聚丙烯腈（PAN）溶液作为静电纺丝前驱液,采用先单轴静电纺丝再高温退火的方式制备了含有氧化锌的多孔纳米纤维,对用不同比例致孔剂ZnCl2所制得的样品进行了微观形貌表征,结果表明纤维中有很多孔,ZnCl2用量为5 wt%的纤维中孔数量最多,致孔剂含量过低或者过高都会使得孔数量减少;成分分析结果表明多孔纳米纤维是由无定型碳和氧化锌组成。以模拟日光作为光源,亚甲基蓝（MB）作为模拟污染物,探究了样品的光催化性能,结果发现前驱液中含5 wt%ZnCl2的多孔纳米纤维具有最好的光催化性能,孔结构的存在有利于光催化活性的提高。（2）以聚丙烯腈（PAN）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为静电纺丝聚合物,通过先静电纺丝再高温退火的方法制备了中空的纳米纤维,然后利用水热法分别在多孔纳米纤维和中空纳米纤维表面负载了颗粒状的纳米氧化锌。微观形貌表征分析表明,随着前驱液中PMMA相对含量的增加,纳米纤维的中空结构越来越完整,当PAN:PMMA=1:2时,得到了规则的中空管状纤维;负载的氧化锌颗粒附着在纤维表面,无团聚现象,实现了纳米氧化锌颗粒的均匀分散和固定,氧化锌颗粒粒径较为统一,在80 nm左右。成分分析结果显示,均匀负载于纤维表面的颗粒确实为纤锌矿结构的氧化锌。探究了负载氧化锌颗粒的两种纳米纤维的光催化性能,结果显示,负载氧化锌颗粒的多孔纳米纤维在150 min对MB的光催化降解率均达到60%以上,其中前驱液中含5 wt%ZnCl2的多孔纳米纤维性能最好,降解率达到91%;前驱液中PAN:PMMA为1:1和1:2的中空纳米纤维在负载氧化锌颗粒后在150 min内对MB的光催化降解率均达到了70%以上,其中前驱液中PAN:PMMA=1:2的中空纳米纤维的性能最好,降解率达到99%。中空纳米纤维相对于多孔纤维作氧化锌颗粒载体时展现出更优异的光催化性能,这是由于中空结构相对于多孔结构具有更大的比表面积,可以进一步增加纳米纤维的吸附性能。（3）以中空纳米纤维为载体,通过水热法制备了表面负载柱状氧化锌的中空纳米纤维复合材料。微观形貌和成分分析结果表明,柱状纳米氧化锌均匀附着在中空纳米纤维表面,柱状纳米氧化锌沿中空纳米纤维的径向生长。然后探究了不同中空结构纳米纤维在负载柱状氧化锌后的光催化性能,结果显示,随着中空结构孔径的增大,中空纳米纤维复合材料的光催化性能有所提升,在150 min内三种样品的光催化效率均达到70%以上,其中前驱液中PAN:PMMA=1:2的性能最好,在100 min内对MB的降解率达到了99%,展现出优异的光催化性能。对三种纤维复合材料的光催化性能进行了对比分析,负载氧化锌颗粒的多孔纳米纤维的光催化性能优异于未负载的多孔纳米纤维,是由于多孔纤维表面氧化锌含量的增加提升了光催化反应活性位点;负载氧化锌颗粒的中空纳米纤维的光催化性能优于负载氧化锌颗粒的多孔纳米纤维,是因为中空纳米纤维相较于多孔纳米纤维具有更大的比表面积,可以进一步增加吸附性能;负载柱状氧化锌的中空纳米纤维的光催化性能优异于负载氧化锌颗粒的中空纳米纤维,一方面是因为柱状氧化锌可以达到更大的负载量,具有更多的活性位点,另一方面,柱状氧化锌的结构也可以增加纤维的吸附性能。