ZnO-石墨烯及g-C3N4-TiO2的光催化性能研究.pdf

1、近年來,環(huán)境污染問題越來越受到人們的關注和重視。在眾多污染物中,染料工業(yè)產生的廢水色度高、水量大、組成成分復雜,對生態(tài)環(huán)境、人類健康影響嚴重,屬于比較難處理的工業(yè)廢棄物之一。光催化技術是一種在能源和環(huán)境領域有著廣泛應用前景的綠色技術,在太陽光照射條件下可將大多數(shù)有機污染物降解為無毒的CO2、H2O和其他小分子。在眾多可用于光催化反應的化合物中,ZnO和TiO2因其催化活性高、安全無毒、使用壽命長等優(yōu)點被廣泛研究。然而,ZnO和TiO2的

2、催化效率受到以下因素制約:(1)ZnO(Eg=3.3 eV)和TiO2(Eg=3.2 eV)的寬禁帶影響了對太陽光能的利用率;(2)ZnO和TiO2半導體表面的光生電子和空穴對極易復合,從而大大降低了催化劑的光催化性能。針對以上問題,本文通過對ZnO粒子的尺度和形貌調控以及通過生成ZnO、TiO2復合物的方法以提高光催化劑的催化效率。主要內容和結果如下:
　　1、以Zn(CH3COO)2·2H2O, LiOH·H2O, Zn(NO

3、3)2·6H2O和六亞甲基四胺(HMT)為原料,結合溶膠凝膠法和水熱法制備了不同長徑比的ZnO納米棒。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X-射線衍射(XRD)、熒光光譜(PL)等技術對樣品進行表征和分析。研究結果表明,通過改變水熱過程中反應物的濃度可以實現(xiàn)對ZnO納米棒吸光性質的調控。同時以亞甲基藍(MB)為底物,詳細地研究了ZnO納米棒的光催化降解性能,發(fā)現(xiàn)水熱條件下反應物濃度為12mM時制備的ZnO納米棒具有最

4、高的光催化效率,其對MB的光催化降解速率是溶膠凝膠法制備ZnO的6倍。經過5次重復實驗后發(fā)現(xiàn)ZnO-12mM納米棒對MB的光催化降解率仍在80％以上,說明該催化劑可以重復使用。
　　2、以Zn(CH3COO)2·2H2O,LiOH·H2O和氧化石墨烯(GO)為反應物,通過溶膠凝膠法制備了ZnO-GO復合材料。通過對ZnO-GO在不同溫度下熱處理得到了氧化鋅石墨烯復合物(ZnO-rGO)。通過SEM、TEM、XRD、PL、X-射線光

5、電子能譜(XPS)、拉曼光譜(Raman)、熱重分析(TGA)等手段對樣品進行表征。結果表明,在石墨烯(rGO)片的兩面均勻分散著ZnO納米粒子。與純ZnO納米粒子對比,發(fā)現(xiàn)ZnO與rGO復合后其晶格常數(shù)和帶隙寬度都發(fā)生了改變。以MB為目標降解物,研究了ZnO-rGO的光催化降解活性。結果表明當熱處理溫度為200℃,rGO含量為2.5%時,ZnO-rGO復合材料具有最高的光催化活性,其催化效率是純ZnO納米粒子的3倍。最優(yōu)ZnO-rGO

6、復合材料經過5次光催化降解實驗后,其催化效率仍在80%以上,而且每次光催化循環(huán)實驗中,ZnO-rGO復合材料光催化降解MB的效率都比純ZnO納米粒子高。
　　3、為了扣除rGO對底物分子過多的吸附而對催化劑光催化效率評價不準的影響,以ZnO-GO為晶種,Zn(NO3)2·6H2O與HMT為反應物,通過水熱法制備了含有不同量rGO的ZnO-rGO復合物。通過XRD、SEM、TEM、XPS、Raman、紫外-可見吸收光譜等手段對制得的

7、樣品進行了表征。結果表明,在水熱過程中由于HMT分解為甲醛和氨,復合物中的GO被還原為rGO。此外,在扣除復合物對底物分子過多吸附的情況下,詳細研究了ZnO-rGO復合物光催化降解MB的性能。結果表明制備條件對復合物的光催化活性有很大的影響。這種簡單、低成本的制備方法將有利于ZnO-rGO在光催化領域以及其他領域的應用。
　　4、為了提高催化劑對可見光的利用率,在半封閉不銹鋼容器中,通過直接加熱三聚氰胺或TiO2(P25)與三聚氰

8、胺的混合物,制備了g-C3N4和g-C3N4/TiO2復合材料。得到的樣品通過XRD、XPS、紫外可見漫反射光譜(DRS)、PL、TGA、SEM和TEM等手段進行表征。研究結果表明,g-C3N4/TiO2復合材料的微觀結構、紫外可見漫反射光譜和熒光光譜隨著復合材料中各組分配比的變化而變化。與TiO2相比,復合材料中Ti3d的XPS峰向低結合能方向略微移動。詳細研究了g-C3N4/TiO2復合材料在可見光(400-600nm)下光催化降解