木质基稀土掺杂TiO2、ZnO复合材料的制备及光催化性能的研究

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有机染料废水因具有化学残留和成分复杂的特点,一直是污水处理的难题之一。在众多处理方法之中,光催化氧化方法能够将有机染料分子中的大分子分解成为小分子或无机物,这种方法操作简单、绿色无污染、成本低,且能够对不同类型的有机废水具有选择性,成为了降解有机染料废水的研究重点。随着新型光催化技术、光催化剂及纳米材料的发展和应用,光催化氧化法得到了广泛的发展和研究。纳米TiO2和ZnO因具有良好的光电性、生物相容性及化学性质稳定等优势,一直是光催化半导体材料的研究重点,但它们在实际应用中仍存在光利用率低、易团聚失活、不易回收等问题。本文主要着眼于染料废水处理,以木材为模板,针对这两种n型半导体材料展开研究,主要研究内容如下:(1)设计并采用一步法制备Y-TiO2/木材复合材料,以氟钛酸铵作为钛源,硝酸钇六水合物作为钇源,木材为基底,采用水热法制备稀土钇掺杂的TiO2薄膜。对制备的复合光催化材料进行XRD、SEM、EDS、FTIR、UV-vis等表征和甲基橙光催化降解实验,考察稀土钇对复合材料的TiO2薄膜在结晶度、表面形貌、官能团、吸光范围等方面的影响。数据显示,稀土钇的掺杂引发TiO2晶格产生膨胀畸变,TiO2的晶粒尺寸减小,支晶消失,团聚现象得到改善,光响应范围扩大;通过改变稀土钇的掺杂比例探究最佳掺杂量,使其具备最大的光催化降解率,结果显示,掺杂稀土钇物质的量分数为1%时制备的Y1-TiO2/木材复合材料,对甲基橙光催化降解率达到最大值,在模拟可见光照射240min后降解率达到75%。(2)稀土钇的掺杂使TiO2/木材复合材料在光催化氧化性能上具有了良好提升,但单掺仍有不足,如稀土Y3+难以作为光生电子捕获剂使光生电子-空穴进行有效分离来提高复合材料的光催化氧化性能。为进一步提高复合材料的光降解性能,采用稀土钇和铈共同掺杂对复合材料进行改性,采用水热法以氟钛酸铵为钛源,硝酸钇六水合物和硝酸铈六水合物作为钇源和铈源制备钇铈共掺的YCe-TiO2/木材复合材料,使用XRD、SEM、EDS、FTIR和UV-vis等检测技术对样品的结构特性、纳米颗粒晶型及表面形貌等方面进行系统研究。结果显示,Y和Ce的协同作用使TiO2的晶粒进一步减小,且TiO2的分散性更好,团聚现象减弱,TiO2的光吸收带进一步红移,达到440 nm;通过调整合适的Y、Ce的掺杂比例使其能够具有最佳的光降解率,结果表明,掺杂稀土钇铈比为4:1时制备的Y4Ce1-TiO2/木材复合材料对甲基橙降解率达到最大,在240 min后降解率达到85%。(3)以木材、Zn-MOF-74作为双模板制备ZnO/C复合材料,以稀土钇进行掺杂改性。首先,以木材为基底,硝酸锌六水合物作为金属离子源,2,5-二羟基对苯二甲酸为有机配体,硝酸钇六水合物作为钇源,采用溶剂热法制备钇掺杂的前驱体材料Zn-MOF-74/木材,再通过高温煅烧得到Y-ZnO/C复合材料。对制备的复合光催化材料进行XRD、SEM、FTIR、XPS等表征和甲基橙光催化降解实验,考察了不同温度和不同稀土钇掺杂量对复合光催化材料在结构特性、表面形貌、化学元素组成等方面的影响,结果表明,随着煅烧温度的上升,纳米ZnO逐渐分解直至消失;稀土钇的掺杂抑制了ZnO的晶粒生长并阻止了前驱体Zn-MOF-74的八面体结构在煅烧过程中塌陷;稀土钇的掺杂使复合材料形成了较高浓度的有氧空位;在稀土钇掺杂物质的量分数为3%时所制备的Y3-ZnO/C复合材料,在模拟自然光下120 min后,模拟污染物甲基橙降解完全。
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