复合ZnO空心微球及其界面催化剂的制备及性能研究

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ZnO是一种性能优异的宽带隙半导体材料,被广泛应用于光催化处理废水、净化空气等领域。然而,传统的ZnO粉体光催化剂表面具有亲水性,在水体中容易下沉,需要外加搅拌/曝气使催化剂悬浮于水体中来维持光催化反应的进行,因此太阳光利用率也较低,严重制约了其产业化。本文着眼于解决上述难题,成功制备了复合ZnO空心微球及其双亲性界面催化剂,探讨了光催化活性影响因素,并以亚甲基蓝和抗生素类药物为模拟有机污染物,对其光催化性能进行了评价。主要研究结果如下:  (1)以乳液聚合制备的聚苯乙烯(PS)微球为模板,采用模板-沉淀法制备了ZnO空心微球,直径在1-4μm之间,比表面积19.2 m2/g,六方晶系结构,结晶度完整,禁带宽度3.21 eV,具有良好的紫外光吸收性能。考察了光催化活性的主要影响因素,确定了制备ZnO空心微球的最佳条件:反应温度为室温(约28℃),模板PS添加量10%,反应体系pH=9,前驱体煅烧温度600℃。在此条件下制备的ZnO空心微球具有优良的紫外光催化性能,在125W高压汞灯下照射120min,对10 mg/L亚甲基蓝(MB)降解率达98%,对抗生素类药物降解率达71%以上。  (2)以ZnO空心微球为基础,采用水热-液相沉积法制备了中空SiO2@ZnO微球,直径在2-6μm之间,比表面积24.7 m2/g,纯相六方晶系,禁带宽度3.21eV。考察了光催化活性的主要影响因素,确定了制备中空 SiO2@ZnO微球的最佳条件:碳包覆量为Zn2+:C=1:3,硅包覆体系pH=7,硅包覆量30%。在此条件下制备的中空SiO2@ZnO微球具有优良的紫外光催化性能,在125W高压汞灯下照射120min,对10 mg/L亚甲基蓝(MB)降解率达91%,对抗生素类药物降解率达64%以上。  (3)以聚苯乙烯(PS)微球为模板,采用共沉淀-水热法制备了交错复合 SiO2/ZnO空心微球,直径在1-5μm之间,比表面积26.4 m2/g,纯相六方晶系,禁带宽度3.22eV。考察了光催化活性的主要影响因素,确定了制备交错复合SiO2/ZnO空心微球的最佳条件:硅添加量10%,水热反应温度150℃,水热反应时间6 h。在此条件下制备的交错复合SiO2/ZnO空心微球具有优良的紫外光催化性能,在125 W高压汞灯下照射120 min,对10 mg/L亚甲基蓝(MB)降解率达93%,对抗生素类药物降解率达65%以上。  (4)采用正辛基三乙氧基硅烷偶联剂(KH-832)对SiO2改性后的中空SiO2@ZnO微球和交错复合 SiO2/ZnO空心微球进行部分疏水基团修饰,通过 FT-IR、TG-DTA分析以及界面双亲性测试实验,证实KH-832修饰后的催化剂表面接枝了疏水基团。修饰后的双亲性界面催化剂(w/o-SiO2/ZnO)具有优良的界面稳定性和紫外光催化性能。在125 W高压汞灯下垂直照射120min,催化剂仍能稳定悬浮于气/液界面,且对10 mg/L亚甲基蓝(MB)降解率达85%,对抗生素类药物降解率达60%以上。
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