【摘要】：氧化鋅(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料,具有大的禁帶寬度和激子束縛能,以及無(wú)毒、來(lái)源廣泛等特點(diǎn),在光電器件、紫外屏蔽、光催化等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。本論文綜述了ZnO的合成方法及在光催化降解有機(jī)污染物方面的應(yīng)用。ZnO的光催化性能主要與其自身性質(zhì)、合成的形貌和晶粒尺寸等有關(guān)。為了改善ZnO在紫外光下受激發(fā)的局限性,拓寬其在可見(jiàn)光下的應(yīng)用,常常采用的方法是摻雜。摻雜能夠引入新的雜質(zhì)能級(jí),使光生電子與空穴復(fù)合的幾率減小,能夠形成更多的活性物種氧化污染物,從而提高ZnO的光催化性能。本文以Zn(Ac)_2·2H_2O和NH_3·H_2O為原料,用羧甲基纖維素鈉(CMC)做結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,采用簡(jiǎn)單的一步水熱法,把過(guò)渡金屬離子Cu~(2+)、Mn~(2+)和Fe~(3+)摻雜其中,合成Cu:ZnO、Mn:ZnO和Fe:ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)催化劑。以苯酚為模型有機(jī)污染物,考察樣品的光催化性能。主要內(nèi)容如下:(1)以CMC為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,采用水熱法在120℃下,不同反應(yīng)時(shí)間合成ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示:反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí),合成的ZnO為六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu),晶體較為完整,形貌為棒狀組裝成的籠狀多級(jí)結(jié)構(gòu)。在紫外-可見(jiàn)光照射下,以苯酚為模型污染物,考察ZnO的光催化降解活性。結(jié)果表明ZnO質(zhì)量濃度為0.5 g/L,苯酚溶液初始濃度為5 mg/L時(shí)光催化活性最好,降解率達(dá)到79.97%。(2)以Cu(NO_3)_2·3H_2O為摻雜劑,合成一系列不同摻雜量的Cu:ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化的降解條件下研究Cu:ZnO的光催化性能。發(fā)現(xiàn)摻Cu量為3%時(shí),光催化降解活性最好,達(dá)95.72%。當(dāng)Cu摻雜濃度比3%低或者高時(shí),光催化活性均會(huì)降低。(3)以Mn(Ac)_2·4H_2O為摻雜劑,合成一系列不同摻雜量的Mn:ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化的降解條件下研究Mn:ZnO的光催化性能。發(fā)現(xiàn)摻Mn量為3%時(shí),光催化降解效果最好,達(dá)88.57%。當(dāng)Mn摻雜濃度比3%低或者高時(shí),光催化性能均會(huì)降低。(4)以FeCl_3·6H_2O為摻雜劑,合成一系列不同摻雜量的Fe:ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化的降解條件下研究Fe:ZnO的光催化性能。摻雜少量的Fe沒(méi)有明顯提高ZnO的光催化性能,但在摻雜量為5%時(shí)卻抑制了ZnO的光催化活性,使其光催化活性大大降低。(5)通過(guò)摻雜量為3%的Cu:ZnO樣品光催化降解苯酚的捕獲實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推測(cè)其光催化機(jī)理為:·OH為主要的活性自由基,在苯酚降解過(guò)程中起主要作用;·O_2~-自由基有一定活性,對(duì)降解起一定作用。
【圖文】：

圖 1.1 ZnO 晶胞圖:（a）立方巖鹽結(jié)構(gòu)；（b）立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)；（c）六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)（圖中黃色小球代表 Zn 離子、藍(lán)色小球代表 O 離子）ig.1.1 The cell diagrams of ZnO: (a) cubic rocksalt；(b) cubic zinc blende；(c) hexagonal wurtz(The yellow ball represents Zn ion and the blue ball represents O ion)[17]由圖 1.1 得，六方纖鋅礦 ZnO 由六邊形密堆積子晶格的離子組成，這些子晶 c 軸交替堆疊。每個(gè) Zn2+亞晶格包含四個(gè) Zn2+離子并被四個(gè) O2-離子包圍。這種體配位導(dǎo)致形成極性對(duì)稱，這會(huì)在 ZnO 纖鋅礦晶體中引起壓電和自發(fā)極化效應(yīng)能夠影響納米 ZnO 的生長(zhǎng)。.2 ZnO 的基本性質(zhì)由于 ZnO 可以很容易的得到，相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格較低，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如 ZnO 良好的光學(xué)透明性，用于制造太陽(yáng)能電池、透明窗材料和透明電極等[18]；其強(qiáng)烈的發(fā)光性，可用于發(fā)光器件，如發(fā)光二極管，激光二極管等[19]；應(yīng)用其的光催化性能，去降解各種污染物等[20]。下列表格是 ZnO 的一些基本性質(zhì)。

圖 1.2 ZnO 光催化降解示意圖Fig.1.2 Schematic of the principle of ZnO photocatalyst電子-空穴(e-/ h+)的過(guò)程如（式(1-1)所示）。然后 表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，如(下式(1-2)，(1-3)，-反應(yīng)生成 OH，而 e-則與 O2反應(yīng)生成 O2-，然后式(1-5)，(1-6))。接著 H2O2與 O2-反應(yīng)生成 OH，如(方化性的 OH，與吸附在 ZnO 表面的污染物反應(yīng)，。最后中間體被分解為CO2和H2O 等無(wú)污染化合物表 1.2 ZnO 光催化機(jī)理方程式[47-48]Table 1.2 ZnO photocatalytic mechanism equation-（CB）)+(h+（VB）)(1-1O→ZnO+H++ OH(1-2H-→ZnO+ OH(1-3
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X703;O643.36;O644.1

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本文編號(hào)：2595267