納米ZnO及BG-ZnO復(fù)合材料的制備及其光催化性能.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的急速發(fā)展，環(huán)境問題越來越亟待解決。水污染的治理越來越受到重視，作為一種無污染、無毒、低成本的治理手段，光催化技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于光降解有機(jī)染料領(lǐng)域。光催化技術(shù)主要是通過光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，半導(dǎo)體材料的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷從而引起半導(dǎo)體材料內(nèi)部光生電子和空穴的分離，電子具有還原性，空穴具有強(qiáng)氧化性，然后，光生空穴和電子再與離子或分子結(jié)合生成具有還原性或者氧化性的活性自由基，活性自由基可以將有機(jī)污染物中的有機(jī)分子氧化為無污染的物質(zhì)進(jìn)

2、而達(dá)到降解有機(jī)污染物的效果。但是電子在躍遷的過程中，大量的電子會(huì)與空穴復(fù)合，進(jìn)而降低光降解有機(jī)染料的效率。尋找一種具有高降解效率的光催化劑尤為重要，ZnO半導(dǎo)體材料具有環(huán)境友好和光穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，本文研究了氧化鋅ZnO中氧空位的含量對(duì)其光催化性能的影響;利用原位水熱法合成具有p-n異質(zhì)結(jié)的納米復(fù)合材料并研究其光催化性能。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)以鋅粉為原料，采用一步水熱氧化法合成棒狀納米ZnO。通過在N2，O2和空氣氛圍

3、中高溫煅燒來控制產(chǎn)物中氧空位的含量。通過X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X光電子能譜儀(XPS)和紫外-可見分光光度計(jì)(UV-vis)來表征樣品的結(jié)晶度、形貌和氧空位含量對(duì)光催化效率的影響。結(jié)果表明，少量乙酰丙酮可以加速鋅粉氧化形成氧化鋅，合成的氧化鋅在不同氣氛中煅燒可以改變樣品光譜吸收范圍和氧空位含量。光照40分鐘時(shí)，空氣中煅燒的氧化鋅的降解亞甲基藍(lán)的效率已經(jīng)高達(dá)95.6％，未煅燒的氧化鋅的降解效率為89.3％，O

4、2中煅燒的氧化鋅的降解效率為62.9％，N2中煅燒的氧化鋅的降解效率為61％。光降解效率的不同可能與氧空位的含量有關(guān)，適量的氧空位可以加速電子-空穴對(duì)的分離和抑制復(fù)合提高光降解有機(jī)染料的效率，太多或者太少的氧空位都不利于光催化降解，因此，可以通過煅燒法控制氧空位的含量來提高光催化效率。
　　(2)通過改進(jìn)的Hummer法合成氧化石墨烯，并通過水熱法成功制備了石墨烯和氧化鋅納米復(fù)合材料(r-GO/ZnO)。水熱合成出r-GO/ZnO

5、復(fù)合材料，并將其進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在120℃下反應(yīng)4小時(shí)合成的r-GO/ZnO復(fù)合材料的光催化降解效率最高，光降解60min后，效率高達(dá)95％。因此水熱合成該復(fù)合材料的最佳反應(yīng)時(shí)間以及最佳反應(yīng)溫度為120℃，4小時(shí)。
　　(3)本實(shí)驗(yàn)通過四氫呋喃硼烷為硼源化學(xué)還原-摻雜方法，成功合成出了p型半導(dǎo)體材料硼摻雜石墨烯(BG)。光電子能譜、紅外等表征手段一致證實(shí)硼原子成功摻雜到石墨烯片層中。通過原位水熱法成功制備了硼摻雜石墨烯復(fù)合氧化

6、鋅納米復(fù)合材料(BG/ZnO)。在該條件下將硼摻雜石墨烯復(fù)合氧化鋅形成具有p-n異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料。在光催化過程中，p-n異質(zhì)結(jié)可以提高電子載流子的轉(zhuǎn)移效率和抑制光生電子和空穴的復(fù)合進(jìn)而提高光催化效率。將復(fù)合材料進(jìn)行光降解亞甲基藍(lán)染料的模擬實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)硼摻雜石墨烯復(fù)合氧化鋅復(fù)合材料的光降解效率(k=76.2×10-3 min-1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于r-GO/ZnO(k=24.3×10-3min-1)和純ZnO(k=17.1×10-3 min-1)