【摘要】：近年來,環(huán)境污染是人類亟待解決的首要問題。半導(dǎo)體在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用,是治理環(huán)境污染的有效方法之一,獲得了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。其中,ZnO作為一種光催化材料在環(huán)境污染治理領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。ZnO是一種典型的寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料(Eg=3.37 eV),具有良好的生物相容性和環(huán)境安全性。與此同時,氣凝膠材料作為一種新型多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料,具有孔隙率高、比表面積大和密度輕等優(yōu)點(diǎn),將其與ZnO相結(jié)合具備廣闊應(yīng)用前景。本論文首先探討催化劑形貌對ZnO光催化活性影響的相關(guān)科學(xué)問題,選擇不同形貌ZnO開展光催化實(shí)驗(yàn),深入分析了ZnO形貌對其光催化活性的影響。此外,考慮到ZnO對有機(jī)物的吸附行為對光催化活性有顯著影響,選用高吸附性能的氣凝膠作為改性材料,制備了ZnO復(fù)合氣凝膠,提高ZnO對有機(jī)物的吸附性能,探討光催化劑吸附性能對其光催化活性的影響。采用水熱法合成了紡錘狀氧化鋅微米棒,確定了最佳工藝條件:5 mmol二水合乙酸鋅、5 mL三乙醇胺(TEA)、3 mL氨水、蒸餾水滴加量60 ml、溫度120℃、反應(yīng)時間8 h。樣品在紫外光下對甲基橙溶液的降解率達(dá)到97.91%。XRD、SEM結(jié)果表明合成的ZnO納米晶均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),形貌為紡錘狀,均勻性良好。采用TEMPO-NaBr-NaClO體系將紙漿板氧化為納米纖維素(NFC),通過恒溫水浴和冷凍干燥制備ZnO-cellulose復(fù)合氣凝膠。通過改變鋅源和表面活性劑用量,在纖維素骨架表面生長出片狀和球狀納米ZnO。應(yīng)力-應(yīng)變曲線證明改性后氣凝膠有較強(qiáng)的機(jī)械性能,回彈性可以達(dá)到63.5%,熱重分析證明復(fù)合氣凝膠的熱穩(wěn)定溫度為270℃。樣品在紫外光下對MO溶液的降解率可達(dá)98.8%,經(jīng)過5次循環(huán)后降解率仍能達(dá)到90%以上。采用溶膠-凝膠法合成ZnO-SiO_2復(fù)合氣凝膠,確定了最佳工藝條件:Zn(NO_3)_2/H_2O/HCl/NH_3·H_2O/TEOS摩爾比為0.2:4:2.4×10~(-4):1.8×10~(-2):1,水解溫度35℃,水解24 h,老化溫度50℃。表面改性劑TMCS與硅源(TEOS)摩爾比為1,改性時間24 h,改性溫度40℃時,氣凝膠的疏水角達(dá)到145°,具有優(yōu)良的疏水性能,比表面積達(dá)972.1 m~2/g,平均孔徑12 nm,具備典型的氣凝膠結(jié)構(gòu)特征。樣品通過90 min的紫外光照射,對MO溶液的降解率達(dá)到接近100%,光催化效率明顯提升,經(jīng)過5次循環(huán)后,光催化效率仍能達(dá)到95%以上。
【圖文】：

危及人類生存，并且煤，石油等不可再生資源的過度開采和使用，也使地球資源枯竭的困境，造成空氣質(zhì)量持續(xù)惡化。例如：北方地區(qū)近年來霧霾現(xiàn)象，已經(jīng)嚴(yán)重危害人們正常生活和身體健康。所以治理環(huán)境污染和開發(fā)新能源為我國最需要解決的問題之一[2]。自 1972 年日本東京大學(xué) Fujishima 和 Ho授[3]報道 TiO2單晶做陽極，Pt 黑做陰極，連接外部電路光解水產(chǎn)生 H2和 O，半導(dǎo)體光催化劑就在治理環(huán)境與能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[4]，研究歷圖 1.1 所示。與此同時氣凝膠作為一種新型的三維材料，具有高比表面積、隙率以及低密度等優(yōu)點(diǎn)[5]，其特殊的用途和使用價值廣泛應(yīng)用在新型催化、物理、粒子捕獲等領(lǐng)域。1931 年，S.S.Kistler 教授首次制備出 SiO2氣凝膠[后全世界科學(xué)家共同努力，推動氣凝膠材料迅速發(fā)展。經(jīng)過科研人員不懈努力，氣凝膠研究領(lǐng)域取得顯著成果[7]。目前研究氣凝主要科研機(jī)構(gòu)有：桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室，美國勞倫茲-利物莫爾國家實(shí)驗(yàn)室nopore 公司、法國蒙特伯利爾材料研究中心及德國、日本以及國內(nèi)的一些高。

氧化鋅 (ZnO) 俗稱鋅白，是一種白色無機(jī)材料，II-VI 族氧化物，氧化鋅的禁帶寬度為 3.2 eV，具有較低的激子結(jié)合能 60 meV，是一種重要的半導(dǎo)體材料。氧化鋅存在三種晶體結(jié)構(gòu)，，分別是巖鹽礦 (rocksalt)、纖鋅礦 (wurtzite) 和閃鋅礦(zinc blende) 結(jié)構(gòu)，三種晶體結(jié)構(gòu)模型[8]如圖 1.2 所示。其中巖鹽結(jié)構(gòu)非常罕見，只有在高壓條件下才可產(chǎn)生。納米結(jié)構(gòu)的氧化鋅材料具有高比表面積及高活性等特點(diǎn)，與普通氧化鋅材料相比，其在光、電、磁和催化等方面可以發(fā)揮特殊作用[9-10]。隨著半導(dǎo)體材料的迅速發(fā)展，二氧化鈦、氧化鋅等半導(dǎo)體材料開始被人們廣泛研究，具有特定結(jié)構(gòu)的納米氧化鋅在光催化降解有機(jī)物方面存在潛在的應(yīng)用前景。目前，雖然商業(yè)化二氧化鈦表現(xiàn)出了較高的降解效果，但是其生產(chǎn)成本較大，開發(fā)新型的半導(dǎo)體降解材料迫在眉睫。因此，成本較低、合成方法簡單的氧化鋅半導(dǎo)體材料逐漸成為科研工作者研究的重要目標(biāo)。最終結(jié)果證明，氧化鋅在光催化方面展現(xiàn)出優(yōu)異的效果，具有廣闊發(fā)展前景[11]。a b c
【學(xué)位授予單位】：齊魯工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;O644.1;X703

【參考文獻(xiàn)】

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1 郭志峰;田碩;王凌勇;張麗霞;宋彩瑜;;直接沉淀法制備納米氧化鋅晶體及其光催化降解性能研究[J];硅酸鹽通報;2010年02期

2 蘇碧桃;胡常林;左顯維;雷自強(qiáng);;納米氧化鋅的制備及其在太陽光下的光催化性能[J];無機(jī)化學(xué)學(xué)報;2010年01期

3 胡澤善;湯敏;丁社光;蔡強(qiáng);鐘成華;傅敏;;納米氧化鋅的化學(xué)制備技術(shù)及其進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2008年S2期

4 董志軍,顏家保,涂紅兵,宋子逵,范曉霞;二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備與應(yīng)用[J];化工新型材料;2005年03期

5 徐甲強(qiáng),潘慶誼,孫雨安,李占才;納米氧化鋅的乳液合成、結(jié)構(gòu)表征與氣敏性能[J];鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報;1998年04期

本文編號：2703102