新型光催化劑的設(shè)計(jì)、合成及其光催化性能研究.pdf

1、因?yàn)榻┠陙?lái)的環(huán)境污染與能源短缺問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，而光催化技術(shù)具有解決能源和有機(jī)物污染處理問(wèn)題的潛在應(yīng)用前景，所以得到了廣泛的研究與應(yīng)用并且成為研究的熱點(diǎn)之一。1972年A.Fujishima等在Nature雜志上發(fā)表了并提出了有關(guān)TiO2在單晶電極上光分解水制氫的結(jié)果，自此標(biāo)志著光催化新時(shí)代的開(kāi)始。目前所開(kāi)發(fā)的光催化材料主要集中在金屬氧化物，如TiO2、SrTiO3。這些半導(dǎo)體光催化材料具有價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性高、紫外光光催化效率高等眾

2、多突出優(yōu)點(diǎn)。但這些傳統(tǒng)光催化材料的缺點(diǎn)是只吸收紫外光，只能在紫外光照射下發(fā)生光降解。我們已知紫外光能量只占太陽(yáng)光能量的5％，這會(huì)直接導(dǎo)致它的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率較低，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。因而，探索新的提高傳統(tǒng)光催化材料效率的途徑就顯得尤為重要。
　　 在本論文中，我們提出了簡(jiǎn)便可控的方法設(shè)計(jì)和合成新型的光催化材料ZnO，異質(zhì)結(jié)復(fù)合光催化材料g-C3N4-ZnO，納米孔洞金屬-有機(jī)骨架MIL-100(Fe)，并研究了這些新型光催化材料

3、的應(yīng)用價(jià)值。本論文主要內(nèi)容有如下三點(diǎn)：
　　 1.我們創(chuàng)新性的提出了一種用金屬-有機(jī)骨架材料設(shè)計(jì)與合成具有形貌可控的ZnO光催化材料，并研究了其光催化礦化甲基橙(MO)色素性質(zhì)。在常溫常壓下，使用超聲法快速制備了具有二維結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)骨架[Zn3(BTC)2·12H2O]，然后以其作為前軀體，通過(guò)煅燒熱處理制備氧化鋅，詳細(xì)研究了煅燒溫度及煅燒時(shí)間對(duì)所制備ZnO的形貌及相組成的影響，并考察了所制備ZnO光催化礦化甲基橙染料性能。

4、研究發(fā)現(xiàn)，煅燒溫度和時(shí)間對(duì)[Zn3(BTC)2·12H2O]的分解具有重要影響。隨燒結(jié)溫度升高，[Zn3(BTC)2·12H2O]的骨架逐漸破壞，在450℃煅燒1h后ZnO形成，在此溫度下，延長(zhǎng)煅燒時(shí)間到4h，形成單一的ZnO。煅燒溫度對(duì)ZnO的形成具有明顯影響。升高溫度到500℃，煅燒2h即可得到單一的ZnO。掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表明，通過(guò)控制煅燒時(shí)間和溫度，能夠很好的調(diào)控ZnO納米粒子尺寸和形貌。光催化性能測(cè)試表明，所制備的

5、ZnO的光催化性能與氧化鋅的形貌、相組成有很大的關(guān)系，在500℃煅燒120 min的所制備的ZnO表現(xiàn)出較好的礦化甲基橙性能。我們期望該方法將會(huì)為可控變量制備不同形貌的金屬氧化物光催化劑等領(lǐng)域提供一個(gè)有效的平臺(tái)。
　　 2.利用g-C3N4的可見(jiàn)光響應(yīng)性能、較高的導(dǎo)帶位置、易于金屬氧化物構(gòu)成界面的C、N組分及其獨(dú)特的具有較高載流子輸運(yùn)性能的層狀結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)g-C3N4這一種新型的非金屬光催化材料與傳統(tǒng)金屬氧化物ZnO構(gòu)成異質(zhì)結(jié)

6、g-C3N4-ZnO復(fù)合光催化劑，以提高光生載流子的濃度及抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，從而提高光催化降解污染物性能。以三聚氰胺和二水合醋酸鋅作為前驅(qū)體通過(guò)簡(jiǎn)單的一步煅燒法制備了具有不同氧化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的產(chǎn)物，分別用紅外光譜(FT-IR)，粉末X-衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)，高分辨顯微鏡(HR-TEM)，光電子能譜(XPS)對(duì)在獲得的產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果證實(shí)獲得的產(chǎn)物就是目標(biāo)產(chǎn)物。通過(guò)光催化性能測(cè)試表明所獲得的異質(zhì)結(jié)復(fù)合光催化材料

7、g-C3N4-ZnO具有非常好的光催化降解能力，其光催化降解甲基橙染料反應(yīng)速率是純g-C3N4的3.5倍，降解對(duì)硝基苯酚(NP)的速率是純g-C3N4的6倍。這種基于g-C3N4異質(zhì)結(jié)復(fù)合光催化材料將會(huì)帶動(dòng)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)新型高效的光催化劑提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和有益的理論參考。
　　 3.設(shè)計(jì)了一種新型的基于納米孔洞金屬.有機(jī)骨架MIL-100(Fe)的Fenton體系。實(shí)驗(yàn)考察了MIL-100(Fe)的在不同PH值情況下的光Fento

8、n性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在PH=4的情況下，MIL-100(Fe)與雙氧水組成的新的Fenton體系12分鐘后就使MO的降解率就達(dá)到了99％，降解速率非?？?。PH大于或等于4時(shí)MO降解速率較慢。此外，我們對(duì)在PH=7的中性環(huán)境時(shí)同樣條件下MIL-100(Fe)與鐵的離子形態(tài)二價(jià)鐵、鐵的固體態(tài)四氧化三鐵的光Fenton對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們得出了MIL-100(Fe)的光Fenton性質(zhì)較鐵的離子念和固體態(tài)都優(yōu)越，60分鐘

9、可以將MO降解完全，固態(tài)四氧化三鐵降解需要80分鐘，而傳統(tǒng)的二價(jià)鐵離子在PH=7的時(shí)候降解基本沒(méi)有脫色，分解基本沒(méi)有進(jìn)行。由此可見(jiàn)MIL-100(Fe)在PH=7的情況下依舊能較快的完成光Fenton實(shí)驗(yàn)。新型的Fenton體系相比傳統(tǒng)的Fenton體系更具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該新型的光Fenton催化劑其pH適應(yīng)范圍廣、制備簡(jiǎn)單、可以循環(huán)利用、易回收、不會(huì)造成二次污染。這種新型的Fenton體系催化劑將會(huì)為在實(shí)際廢水處理中的帶來(lái)廣闊的應(yīng)用前景