【摘要】：半導(dǎo)體光催化作為一種綠色的水污染處理技術(shù)在節(jié)約能源和保護環(huán)境方面有著重要的應(yīng)用前景。ZnO作為一種直接帶隙半導(dǎo)體(帶隙3.37 eV),具有良好的紫外光吸收性能和合適的能帶結(jié)構(gòu),一直被認(rèn)為是一種很好的光催化材料。但是通常情況下,ZnO納米粉體材料作為光催化劑仍然面臨著以下問題:第一,在液相光催化反應(yīng)中容易團聚,減小比表面積,并且反應(yīng)物懸浮在溶液中,不利于回收;第二,光生電子(e~-)和空穴(h~+)容易復(fù)合導(dǎo)致光催化性能下降。針對上述問題,本文通過靜電紡絲、原位聚合以及原子層沉積(ALD)方法制備了柔性的ZnO基復(fù)合納米纖維材料,以提高材料的光催化性能和使用性能。論文主要研究內(nèi)容如下:(1)利用靜電紡絲技術(shù)制備了聚丙烯晴(PAN)納米纖維,以此為模板,通過ALD技術(shù)制備了PAN@ZnO柔性復(fù)合納米纖維,實現(xiàn)了電紡PAN納米纖維對ZnO納米材料的有效固載。形貌和結(jié)構(gòu)測試研究結(jié)果表明,ZnO被均勻的沉積到PAN納米纖維表面形成核殼結(jié)構(gòu)。光催化實驗研究表明,隨著ALD循環(huán)次數(shù)的增加,PAN@ZnO復(fù)合納米纖維的光催化活性逐漸增強。PAN@ZnO復(fù)合納米纖維不僅有利于阻止ZnO納米粉體的團聚,由于其宏觀的纖維網(wǎng)氈結(jié)構(gòu)使得材料可以通過自沉降的方式進(jìn)行回收利用,經(jīng)過三次循環(huán)實驗之后,仍然保持較好的光催化活性。(2)以電紡PAN納米纖維為載體,通過原位聚合的方法制備了PAN@PANI復(fù)合納米纖維;以此為模板,通過ALD技術(shù)制備了PAN@PANI@ZnO復(fù)合納米纖維,形成了PAN@PANI@ZnO異質(zhì)結(jié)復(fù)合納米纖維,實現(xiàn)了對ZnO/PANI異質(zhì)結(jié)的固載化。通過改變原位聚合時間和ALD循環(huán)次數(shù)來改變ZnO/PANI異質(zhì)結(jié)的相對含量。由于ZnO/PANI異質(zhì)結(jié)的存在,能夠有效的促進(jìn)e~-和h~+的分離,因此PAN@PANI@ZnO復(fù)合納米纖維相比于PAN@Zn O和PAN@PANI納米纖維,光催化活性提高了2.1倍左右。光電流測試研究表明,PAN@PANI@ZnO復(fù)合納米纖維表現(xiàn)出最大的光電流密度,進(jìn)一步證明了該異質(zhì)結(jié)體系能夠更有效的分離電荷。捕獲實驗研究表明,在光催化反應(yīng)過程中,h~+、e~-、羥基自由基(·OH)和超氧自由基(·O_2~-)四種活性物種都不同程度的參與了光催化反應(yīng),其中e~-起了最主要的作用。由于復(fù)合納米纖維的宏觀網(wǎng)氈結(jié)構(gòu)和柔性性能,可以很容易通過自沉降過程進(jìn)行回收,經(jīng)過五次循環(huán)實驗之后仍表現(xiàn)出穩(wěn)定的光催化活性。
【圖文】：

圖 1.1 光激發(fā)半導(dǎo)體時 e-和 h+的運動路徑示意圖[22]。催化已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，其基本原理可以這樣闡述。當(dāng)光照射果入射光的能量大于或者是等于半導(dǎo)體的帶隙，半導(dǎo)體材料體內(nèi)體的價帶躍遷到導(dǎo)帶，h+留在價帶，實現(xiàn)了 e-和 h+的分離。體時 e-和 h+的運動路徑示意圖，大約有以下幾種情況：強大的庫侖力的作用，在 e-和 h+產(chǎn)生的位置處迅速復(fù)合，釋放材料表面遷移的過程中復(fù)合，或者是到達(dá)材料表面復(fù)合，同時也了材料的表面，并沒有被復(fù)合掉，，而是與材料表面吸附的 H2O情況下的 e-和 h+才是真正對光催化反應(yīng)做出貢獻(xiàn)的活性物種成 O2-， O2-將會進(jìn)一步與 H2O 和 h+反應(yīng)生成 OH，同時 h+ OH 具有很強的氧化性，通過與水體系中的有機污染物接觸并的污染物會被分解為環(huán)境友好的 CO2和 H2O，從而達(dá)到了處理

(1) 環(huán)境友好：半導(dǎo)體光催化是通過光生載流子與半導(dǎo)體表面吸附的 O2和 H2化還原反應(yīng)產(chǎn)生活性物種，最后活性物種將水體系中的有機物礦化成 CO2和 生的產(chǎn)物對人類的生存環(huán)境無任何污染。(2) 反應(yīng)條件容易達(dá)到：在光的照射下，將半導(dǎo)體置于水體系中就可以實現(xiàn)對的降解，反映過程中受溫度，壓強等苛刻因素的影響不大。(3) 催化效率高：相比于物理沉降等方法，半導(dǎo)體光催化在短時間內(nèi)就可以將系進(jìn)行降解，不受時間的影響。(4) 可循環(huán)使用：半導(dǎo)體光催化劑在多次循環(huán)使用之后仍具有較高的光催化活出非常好的循環(huán)性能[26-29]。1.2.3 常見的半導(dǎo)體光催化劑
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ342.94;O643.36

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2608192