论文部分内容阅读
水体有机物污染是全世界普遍存在的环境问题,危及生态系统功能和人类健康。基于纳米复合材料的高效、低能耗、深度催化氧化降解水体有机污染物技术已成为环境科学与工程、材料科学领域的研究前沿。单一组成或单一结构纳米材料性能单一,无法满足纳米材料功能多样化的需求。不同组成或不同结构纳米材料的复合组装,是实现纳米材料功能多样化的重要手段。通过对纳米复合材料组成的调控,获得合适的能带结构,提高光催化活性;低维纳米结构聚集形成的空间位阻效应,可克服纳米材料易团聚的难题;因此,多级结构纳米复合材料应用优势明显,已成为纳米材料的研究热点。本工作从污水处理和清洁能源开发等需求出发,以发挥多级结构纳米复合材料的光催化协同效应为目的,进行纳米材料的结构设计和应用。成功制备了核壳、夹心和双壳型纳米复合材料,应用于有机污染物光催化降解和产氢,可用于复杂水样COD和TOC测定的样品前处理技术研究。1.核壳型Au@Cu2O纳米星状多面体吸附和光催化降解酸性紫43和甲基蓝研究通过简单的水溶液合成法制备由Au核和Cu2O壳构成的核壳型Au@Cu2O星状多面体纳米复合材料。利用SEM,TEM,XRD,XPS,BET,FTIR以及UV-vis等表征纳米复合材料结构。核壳型Au@Cu2O星状多面体具有良好的分散性,优异的化学吸收能力以及表面正电性,对阴离子染料吸附性能突出。与P25-Ti O2相比,Au@Cu2O星状多面体对酸性紫43和甲基蓝的吸附率分别增加了90.12%和50.8%。对甲基橙和甲基紫的光催化降解速率为Au@Cu2O>Cu2O-Au>Cu2O>P25。核壳型Au@Cu2O星状多面体结构使得光生电子从Cu2O的导带转移到Au纳米颗粒上,提高光生电子与空穴的分离;同时Cu2O-Au间界面形成的肖特基势垒可进一步减少光生电子和空穴的复合,Au核和Cu2O壳协同作用提升Au@Cu2O星状多面体光催化降解染料性能。2.双壳夹心型Ti O2@Au@C空心纳米球光催化降解4-硝基苯胺、产氢研究带负电荷的纳米颗粒（Au）吸附到带正电荷的空心球体（Ti O2）上得到纳米复合材料（Ti O2@Au）,分散于葡萄糖溶液中,水热和煅烧,应用SEM,TEM,XRD,XPS,BET,FTIR以及UV-vis等表征手段揭示制得纳米复合材料为双壳夹心型Ti O2@Au@C空心纳米球,Au纳米颗粒被组装到夹心层。对4-硝基苯胺的光催化降解速率为Ti O2@Au@C>Ti O2@C>Ti O2/Au>P25,Ti O2@Au@C对4-硝基苯胺的可见光降解率92.65%,与P25相比增加了75%。三次循环使用后,Ti O2@Au@C对4-硝基苯胺依然保持较高降解率,说明Ti O2@Au@C光催化稳定性优越。Ti O2@Au@C在甲醇-水体系中也具有较高产氢活性,在可见光催化下,双层夹心Ti O2@1.43%Au@C在第一个小时内产氢效率达到319.5μmol h-1 g-1。光生电子可从Au纳米颗粒转移到Ti O2的导带,促进光生电子-空穴分离;C层的存在,提高了纳米复合材料对有机污染物的表面亲和力;Ti O2@Au@C空心球中Au核和C壳产生的协同效应,提高光催化降解反应效率。3.双壳Ti O2@Ce O2/Au纳米空心球光催化降解甲基橙研究通过水热合成法,将Ti O2、Ce O2和Au纳米颗粒先后包覆到功能化的聚苯乙烯球（PS）模板上,制备PS@Ti O2@Ce O2/Au纳米球,经高温煅烧,得到双壳Ti O2@Ce O2/Au纳米空心球。利用SEM,TEM,XPS,BET以及UV-vis等手段表征纳米空心球结构。光催化降解甲基橙速率为Ti O2@Ce O2/Au（16nm）>Ti O2@Ce O2>Ce O2>P25,Ti O2@Ce O2/Au（16nm）对甲基橙的可见光降解率91.13%,与P25相比,增加59.32%。双壳夹心型Ti O2@Ce O2/Au纳米空心球中贵金属Au和Ce O2可产生协同效应促进Ti O2光降解性能:光生电子从Ce O2的导带转移到Ti O2的导带和贵金属的表面,促进光生电子与空穴的分离;Ce O2和Au纳米颗粒提高Ti O2吸光性能并向可见光范围移动;Ti O2-Au以及Ce O2-Au间界面形成的肖特基势垒减少了光生电子和空穴的复合。