论文部分内容阅读
能源短缺和环境污染已成为制约我国发展的主要问题之一,推进能源转型可有效降低对一次能源的依赖,同时可减少大气污染。新能源(如H2、CH3OH等)已成为近年来的热门话题。光催化技术能够有效利用太阳光,将低密度的太阳能转化为高密度的化学能而储存起来。另外,随着我国工业的发展,废水产量也随之增多,吸附和光催化技术因其高效、便捷、低能耗等优点而得到人们广泛关注。本论文从锌系纳米材料出发,通过形貌调控和元素掺杂,以提高材料的吸附和光催化性能。其主要内容如下:(1)用微波辅助热法合成了 Zn(OH)2/Co(OH)2纳米复合材料,并通过XRD、SEM、XPS、EDX、BET等表征手段分析其形貌和化学组成。分析结果表明,样品中Zn和Co均以+2价形式存在,且Zn、Co和O原子分布均匀,比例接近1:2:6,比表面积为84.2 m2·g-1,孔隙体积为0.13 cm3·g-1。(2)研究了上述材料对阳离子染料(MB、CV和MG)的吸附行为。实验结果表明,Zn(OH)2/Co(OH)2对MB、CV和MG的最大吸附量分别为470、1100和2200 mg·g-1,而且吸附量随着温度和pH的升高而有所增大。通过吸附等温线、吸附动力学和热力学实验数据拟合得到:Zn(OH)2/Co(OH)2对阳离子染料的吸附属于Langmuir模型,即单分子表面吸附,根据二参数模型计算的平均自由能得出,Z1C2对三种染料的吸附属于物理吸附。符合准二级动力学模型,说明对阳离子染料的吸附速率与接触时间的平方成正比,该吸附过程为吸热过程且可以自发进行。此外,我们对其吸附机理进行了探究,根据FT-IR、Zeta电位数据以及对阴阳离子染料吸附量的区别,将其对阳离子染料的吸附归因于Zn(OH)2/Co(OH)2层间或表面的OH-和染料阳离子基团的静电吸附作用。最后,我们对吸附MB后的样品进行煅烧处理后发现,煅烧后的样品仍具备一定的吸附性能和光催化降解性能。(3)用改良的Stober法合成粒径均一的单分散SiO2纳米微球,并探讨了 TEOS用量和温度对粒径的影响。以SiO2为模板,原位制备了 Ce掺杂的多孔Zn(OH)2/Co(OH)2层状材料,并对其吸光性和光催化降解性能进行评价。实验结果表明,多孔结构可有效增强对光的吸收,Ce的掺杂可增大对可见光的利用,在SiO2和Ce的协同作用下,Zn(OH)2/Co(OH)2对RhB的全光降解能力提升了130%。(4)采用低温化学沉淀法制备了一系列Ce掺杂的ZnS纳米颗粒。通过XRD、SEM、XPS、EDR等表征发现,样品是由20-30 nm的颗粒堆积而成,Ce以Ce3+和Ce4+两种价态存在,且Ce的掺杂量使样品对光的吸收出现红移现象。探究了反应时间、反应温度、Ce的用量等因素对ZnS光催化产氢性能的影响,得到样品最佳制备条件为:Ce掺杂量为5%,反应温度为75℃,反应时间为5 h。此外,还探究了牺牲剂浓度对5wt%Ce-ZnS紫外产氢性能的影响,当甲醇体积分数为15%时,产氢量为 37.971 mmol·g-1·h-1,当不加牺牲剂时,产氢量为 1.454 mmol·g-1·h-1。最后,用RhB代替甲醇,将光催化降解和产氢相结合,光照两小时后发现,RhB溶液已完全降解,同时有H2生成。