层次结构氧化锌材料的制备及光催化性能研究

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ZnO作为光催化剂,来源广泛,成本低廉,低毒且易回收,已在在光催化领域得到广泛使用。然而较宽的禁带宽度(约3.2 e V),使得其仅能在高能量的紫外光条件下具备光催化作用;同时,ZnO材料中光生载流子包括光生电子与空穴很容易在迁移过程中发生再复合,因而光催化效率低。论文基于形貌影响性能的理念,通过调节ZnO材料的形貌,并进而采用复合第二组分的方法,力图调节ZnO的表面性质,拓宽材料的光吸收光区域,改善材料中光生载流子的复合,以提高材料的光催化性能,其主要工作内容为:1. 采用简单的水热法制备了花状层次结构的ZnO材料,用XRD,XPS,TEM,SEM,BET,分光光度和电化学测试等手段对合成材料的结构,形貌,比表面和光吸收性能进行了表征;然后,以亚甲基蓝(MB)溶液作为模拟染料废水,利用样品作为催化剂进行了光催化降解,探究其光催化性能。结果表明:尽管花状ZnO没有改变光吸收性能,但是比表面增大,表面活性位点增加,因而可以通过染料敏化方式发生光降解,可见光照射下,180 min内花状层次结构的ZnO材料对MB降解率达50%。2. 采用缓释方法原位合成将BiOI纳米片涂覆花状ZnO层次结构的p-n节复合材料。通过各种手段对复合材料的结构,形貌,表面性质,光吸收性质及光电性质进行了表征,研究了其光降解行为。结果表明,n型ZnO与p型BiOI之间形成p-n结构,改变了ZnO的光吸收范围,带隙值和界面特性,促进了ZnO/BiOI复合材料光生载流子的分离和转移。光降解实验结果表明,复合材料具有优异的光降解能力和出色的可重复使用性,可见光条件下,15 wt%ZnO/BiOI复合材料在3小时内对MB的降解率达到了94%;光降解服从一级反应动力学,速率常数为15.64×10-3min-1,分别为纯ZnO和BiOI的4.4倍和24.3倍。论文同时探讨了材料组成对光催化性能的影响。3. 基于Cu7S4特殊的空心结构,论文采用沉积法将Cu7S4负载到ZnO合成ZnO/Cu7S4复合材料。通过各种手段对复合材料的结构,形态,光催化性能进行表征,对其降解行为进行了研究。结果表明,样品是由中空多面体Cu7S4和花状ZnO的复合,且仍然保持着ZnO花状形貌,并形成了p-n异质结结构。10wt%ZnO/Cu7S4复合材料在可见光照射4小时后,亚甲基蓝的降解率达到93%。ZnO/Cu7S4的光降解反应服从一级反应动力学,速率常数为0.06668 min-1,分别为纯ZnO和Cu7S4样品的5和6倍。论文利用控制变量法同时探讨了材料组成对光催化性能的影响。
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