新型半导体光催化剂的合成与性能研究

来源 :福建工程学院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jqh_0727
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随着经济的高速发展,环境污染问题越发突显,尤其是水污染问题已经危害到人类的生存需求。半导体光催化剂技术是采用绿色、环保的手段来解决水污染问题。其中Zn O作为一种常见的半导体氧化物,具有较宽的能带间隙,在光催化领域得到较为广泛的应用。但Zn O光催化剂吸收能量后产生的光生电子空穴对易复合,这极大地影响了材料的光催化效率。同时,大部分Zn O光催化剂回收较为困难,不利于保护环境,容易对环境造成二次污染。基于以上问题,本文通过水溶液法制备了不同的Zn O基光催化剂,进一步提升其光催化性能,主要研究结果如下:(1)不同形态Zn O薄膜的制备:以硝酸锌作为锌源,调控不同的实验参数(温度、添加剂、时间等),采用水溶液法制备得到不同形态的Zn O薄膜,研究了不同维度、形貌的Zn O光催化剂降解亚甲基蓝(MB)的光催化性能。结果表明,不同形态的氧化锌薄膜对紫外光的利用率有影响,其中草丛状氧化锌其独特的形貌结构,在玻璃基板上生长规律且分布均匀,表现出良好的光催化性能。相应地,草丛状Zn O具有最优的光电流响应,经8次循环实验后光催化活性仍保持较高。不同p H值下制得的草丛状Zn O具备不同光催化性能,p H浓度适当,能较好地改善样品的性能。而晶面衍射峰强度不同,光催化剂对应的光催化性能也随之改变,随着晶面衍射峰强度的增长,样品的光催化性随之提升,当光照射到光催化剂上,草丛状Zn O针尖内部多次反射,大大提高了光利用效率。因此,Zn O的晶体结构、形态、p H、光利用率都跟光催化性能有很大的关联。(2)氧化锌/还原氧化石墨烯(r GO)复合光催化剂的制备:以硝酸锌作为锌源,利用水溶液法、化学沉积法在低温下制备可得不同形貌的氧化锌/还原石墨烯复合光催化剂。通过降解MB溶液研究了不同形貌的氧化锌/还原石墨烯复合光催化剂的光催化性能。结果表明,样品复合GO后,接触角增大,紫外可见吸收带隙改变,改善了光催化性能。在紫外光照下,Zn O/r GO复合光催化剂表现出良好的光催化性能,这是由于GO结构中有含氧基团,作为高效的电子存储/转移中心,可有效减少光生电子-空穴的重组速率,提高光催化性能。进行120 min光催化实验后,相比于Zn O种晶层/r GO和花状Zn O/r GO,Zn O阵列/r GO复合光催化剂展现出优异的光催化性能。随着晶面衍射峰强度的增强,GO浓度的递增,Zn O阵列/r GO复合光催化剂展现出优异的光催化性能。因此,Zn O/r GO光催化性能与样品晶体结构、形貌和GO浓度有较大的关联。(3)氧化锌/银(Zn O/Ag)复合材料的制备:以硝酸锌作为前驱体,采用水溶液法分别在玻璃基板上生长纳米Zn O阵列和草丛状纳米Zn O,并进一步采用浸渍还原法在Zn O表面沉积Ag制得氧化锌/银复合光催化材料。研究了Ag离子浓度、浸泡时间和还原剂Sn Cl2含量等参数对Zn O/Ag复合光催化剂对罗丹明B(Rh B)溶液的光催化降解性能的影响。结果表明,Zn O/Ag复合材料中的Zn O均呈现六方纤锌矿结构并均匀分散于基板表面。由于Ag的表面等离子体共振(SPR)效应,Zn O/Ag复合材料的带隙跟Zn O比有所降低。Ag的SPR效应增强了光吸收,较大地改善了Ag修饰的Zn O/Ag复合材料的光电流响应,从而提升Zn O近表面区域中的电子-空穴对分离效率。Zn O/Ag复合材料在光辐射下对Rh B具有优异的光催化降解效果。通过降低Sn Cl2浓度,增加三氟乙酸浓度,减小Ag离子浓度,减少样品浸泡时间,样品的光催化性能也随之改善。当样品的晶面衍射峰强度减弱时,其样品对应的光催化性能提高,表现出较为优异的降解效果。因此,草丛状Zn O/Ag复合材料的光催化性能与晶面衍射峰强度、Ag+离子的浓度、浸泡时间和还原剂的浓度有关。
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