氧化鋅、磷酸銀基氮摻雜石墨烯復(fù)合物的制備及其光催化性能.pdf

1、石墨烯,作為目前唯一存在的由單層碳原子堆積的二維自由體原子晶體,由于具有優(yōu)異的機(jī)械韌性、導(dǎo)電性和大的比表面積,吸引了化學(xué)、材料等其他領(lǐng)域科學(xué)家的極大興趣。隨著對(duì)石墨烯的研究的深入,科學(xué)家們通過(guò)改變其形貌或者摻雜其它原子等方法來(lái)改善石墨烯的性質(zhì),從而拓寬其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文以無(wú)機(jī)納米材料/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料為研究對(duì)象,通過(guò)不同的反應(yīng)條件合成氮摻雜石墨烯復(fù)合無(wú)機(jī)納米材料,并對(duì)其形貌控制、形成機(jī)理、物理化學(xué)性能特別是光催化降解有機(jī)染料性

2、能進(jìn)行了全面深入的研究,以期獲得具有優(yōu)異性能的光催化劑。主要包含以下幾個(gè)方面的工作:
　　1、通過(guò)兩步法嘗試合成氧化鋅半導(dǎo)體( ZnO)和氮摻雜石墨烯( NG)復(fù)合組成一種新的二維納米結(jié)構(gòu)的光催化劑,并研究其在紫外光照射下對(duì)甲基橙的催化降解效果。先用水熱法,以氧化石墨烯( GO)和二乙烯三胺為原料合成氮含量分別為6.10 at.％、5.42 at.%和4.75 at.%的NG,再通過(guò)溶劑熱法或溶膠凝膠法制備N(xiāo)G-ZnO復(fù)合材料。利

3、用X射線(xiàn)光電子能譜、X-射線(xiàn)粉末衍射、掃描電鏡、透射電鏡、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜和紫外-可見(jiàn)光譜對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌、帶隙寬度和光催化活性進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在以溶劑熱法合成的含氮量為4.75 at.%的NG含量不同的NG-ZnO復(fù)合材料中,NG的加入對(duì)ZnO的光催化降解甲基橙的效果均有改善,當(dāng)NG含量為9.84%時(shí),光催化速率最大。在以溶膠凝膠法合成的含氮量為4.75 at.%的NG-ZnO產(chǎn)物中,2 wt.%NG-ZnO的光催

4、化活性最高,約是純的ZnO的1.23倍;另外,2 wt.%NG-ZnO的光催化活性也高于機(jī)械混合的2 wt.%NG-ZnO和2 wt.%GO-ZnO的光催化活性,這表明該溶膠凝膠法將氧化鋅粒子成功附著在氮摻雜石墨烯表面,這是簡(jiǎn)單的機(jī)械混合所不能達(dá)到的效果。另外兩種氮摻雜石墨烯和氧化鋅復(fù)合組成的2 wt.%NG-ZnO在紫外光照射下對(duì)甲基橙催化降解的活性和穩(wěn)定性也強(qiáng)于純的ZnO納米粒子,這是因?yàn)? wt.%NG-ZnO復(fù)合材料中NG和 Z

5、nO間有更強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng),利于電子-空穴的傳遞和分離。結(jié)果表明, NG不僅在降解有機(jī)染料領(lǐng)域有所作為,在太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器和生物傳感器等方面也有巨大潛在應(yīng)用。
　　2、采用溶劑熱法在乙醇和水組成的混合溶劑中(改變比例)合成了銀( Ag)與棒狀、片狀和粒子狀氧化鋅( ZnO)及氮摻雜石墨烯( NG)三元復(fù)合材料,研究了其在可見(jiàn)光照射下對(duì)甲基橙、亞甲基藍(lán)以及羅丹明B的光催化降解效果。利用X射線(xiàn)光電子能譜、X-射線(xiàn)粉末衍射、掃描電鏡、

6、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜和紫外-可見(jiàn)光譜對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌、帶隙寬度和光催化活性進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,在這三種形貌的復(fù)合物中,NG的含量增加都會(huì)促使相應(yīng)的復(fù)合物對(duì)羅丹明B的吸附量增大,然而光催化效果并不與NG的量成正比。NG對(duì)Ag-棒狀ZnO的光催化性質(zhì)沒(méi)有改善;NG的加入不僅改變了Ag-片狀ZnO的光催化性質(zhì),同時(shí)也改變了其形貌;Ag-粒子狀ZnO-NG的光催化活性同樣也優(yōu)于Ag-粒子狀ZnO,其中NG含量是5 wt.%時(shí),光催化效

7、果最好,而Ag-ZnO-5 wt.%GO的光催化效果和Ag-粒子狀ZnO的光催化速率幾乎相同。由此可以看出,在該體系中NG的加入對(duì)Ag-粒子狀ZnO的光催化效果有改善,并且優(yōu)于GO。也就是說(shuō),半導(dǎo)體尺寸越小,和氮摻雜石墨烯間的協(xié)同作用越大。
　　3、嘗試在三種不同溶劑中合成磷酸銀( Ag3PO4)與氮摻雜石墨烯( NG)復(fù)合材料,并研究其在可見(jiàn)光照射下對(duì)甲基橙和羅丹明B的光催化降解效果。先重復(fù)合成上個(gè)體系三種含氮量不同的氮摻雜石墨

8、烯,并與購(gòu)買(mǎi)的氮摻雜石墨烯對(duì)比,再?lài)L試用不同的溶劑(二甲基亞砜和乙醇,乙二醇,水)以及相應(yīng)的方法合成NG-Ag3PO4復(fù)合材料。利用X射線(xiàn)光電子能譜、X-射線(xiàn)粉末衍射、掃描電鏡、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜和紫外-可見(jiàn)光譜對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌、帶隙寬度和光催化活性進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,氮含量越少的NG形成的NG-Ag3PO4的催化效果越好。雖然NG-Ag3PO4對(duì)羅丹明B的降解活性比Ag3PO4的強(qiáng),卻比GO-Ag3PO4略差,且光催化效果