木基碳量子点/氧化锌复合材料的制备及光催化性能研究

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目前环境问题日益尖锐,其中存在两个方面的问题:资源过度使用和水污染问题,面对资源过度使用问题,碳量子点的原材料来源十分广泛,有利于加工剩余物和废料的再利用,不仅如此碳量子点还有良好的光学性能、生物相容性等优点。而在水污染问题中,印染废水又十分突出,在处理水污染的方法中,光催化技术因其绿色、节能、安全以及广谱长效的优点脱颖而出。传统的Ti O2等光催化剂光响应范围窄,主要集中在紫外光区域,对可见光的利用率低、电子空穴对容易复合等一系列问题,限制了其应用。Zn O的氧化能力更强、光催化效率高、价格便宜、适用范围广、绿色无毒害并且属于直接带隙半导体,避免了量子效率低等问题。通过上述分析本文选取了氧化锌光催化剂,使用木粉为原料制备木基碳量子点对其进行掺杂,并且将其负载在氮化碳上。本研究将氮化碳、木基碳量子点与氧化锌结合制备成一种新型催化剂,分别研究了木基碳量子点与氧化锌材料的各种性能,并测试了其光催化降解亚甲基蓝等有机染料的性能,主要研究结果如下:1、使用木粉、柠檬酸以及乙二胺在200℃下进行水热反应6 h,成功制备了氮掺杂的木质基荧光碳量子点。木基碳量子点的平均粒径为4.3 nm,晶格间距为0.21 nm,对应于石墨结构的100衍射面,其表面含有大量的羟基、羧基以及氨基等含氧、氮官能团。木基碳量子点在浓度较低时,呈现蓝紫色荧光;其荧光效果与碳量子点浓度、激发波长有关,并且随着激发波长的增加而出现红移现象,木基碳量子点具有很好的水溶性。使用纳米纤维素和碳量子点制备了一种荧光的纳米纤维素纸用来测试碳量子点的重金属离子检测性能,其拉伸强度高达97.4 Mpa,远高于普通的滤纸;其紫外吸收能力也大大加强,能够直接对铬离子进行检测,其荧光效果随着铬离子浓度的增加而减小,且木基碳量子点具有良好的耐候性和稳定性,经过长时间自然老化,依然可以检测铬离子。2、在对木基碳量子点掺杂氧化锌的研究中,本研究将碳量子点氧化锌复合材料与传统水热法制备出的氧化锌进行了对比。结果表明,氧化锌经过碳量子点的掺杂表现出与未掺杂的氧化锌不同的微观结构,随着碳量子点含量的增加,光催化剂的微观形貌变化为:不规则的纳米片→球状结构→花状结构→棒状结构;碳量子点掺杂不会改变氧化锌的结晶性质,但结晶度有所增加。氧化锌的晶格间距为0.28 nm和0.52 nm,分别对应于六方(纤锌矿)氧化锌的{0001}面和{0110}面。复合材料的电荷分离效率更高,碳量子点的加入降低了电子空穴复合效率,禁带宽度由3.23 e V降至3.13 e V,光电流增加了2.4倍。有机染料的测试结果表明,复合材料的光催化效率和速率有了明显的提升,降解不同染料测试结果显示,降解刚果红的效率最高。复合材料的稳定性较好,可以重复使用。3、对氮化碳、碳量子点以及氧化锌的复合材料进行了研究,其结果表明,氮化碳的引入不会改变碳量子点本身的表面形态和结晶性质。材料的比表面积分析显示,碳量子点的引入阻塞了氧化铈的一些孔道结构,因此碳点氧化锌复合材料的比表面积有所下降,平均孔径有所增加。引入氮化碳后,复合材料的比表面积明显增加,平均孔径减小。光催化性能测试表明,复合材料的光催化效率和速率均有所提高。
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