ZnO的体相和表面改性及可见光光催化性能研究

论文摘要

ZnO因价廉、无毒、来源广、光催化活性高而受到人们的广泛关注,但是,由于其带隙较宽,只能被紫外光激发,而太阳光谱中仅含有5%左右的紫外线,因而对太阳光的利用率低,而且ZnO由于易发生光腐蚀,光稳定性较差,从而大大降低了光催化活性,不利于其在环境治理中的应用。因此,通过对ZnO的掺杂改性从而获得既具有光稳定性,又具有较高可见光光催化活性的ZnO光催化剂成为极具挑战性的课题,也是当前国际研究的前沿。本论文研究了C掺杂及表面络合物形成对ZnO可见光光催化活性和光稳定性的影响。选择4-氯苯酚、2,4-二氯苯酚、苯酚和甲醛为目标降解物研究其可见光光催化活性和光稳定性能,运用各种现代分析测试手段,如:X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、红外光谱、拉曼光谱、紫外-可见漫反射光谱、N2吸附及荧光光谱（PL）等对其进行表征,探讨了其结构变化与光催化性能的关系。其主要研究结果如下:（1）以ZnCl2与乙二醇合成反应生成有机含锌化合物,然后将该有机物煅烧制成C掺杂ZnO。该催化剂中的C取代了ZnO中的晶格氧,从而使其光响应范围从紫外光区拓展到可见光区。光催化性能测试表明其在室内日光灯照射下能有效地使甲醛矿化为CO2,而且其光催化活性优于目前光催化活性最好的N掺杂TiO2。（2）酚类化合物（PC）如:4-氯苯酚、2,4-二氯苯酚、苯酚都能与ZnO形成表面络合物。4-氯苯酚与ZnO形成的表面络合物通过酚Zn-O-Ph-Cl键与ZnO相结合,这个键强于4-氯苯酚与YiO2形成的表面络合物上的酚Ti-O-Ph-Cl键。这些表面络合物在可见光激发下发生配位体向余属中心的电荷转移,使ZnO的光吸收响应范围从紫外区拓展到可见光区,从而使ZnO具有较高的可见光光催化降解酚类化合物的催化活性。在可见光照射下,ZnO光催化降解4-氯苯酚的光催化活性比TiO2在同样条件下高3.7倍,ZnO比TiO2可见光光催化活性高是因为PC/ZnO比PC/TiO2具有更高的光电流,说明前者比后者有更多的电荷转移。而且,表面络合物的形成明显提高了ZnO的光稳定性,其主要原因是由于ZnO的表面缺陷大大降低,且在紫外-可见光照射下ZnO表面捕获的光生空穴优先与表面络合物发生反应,而没有与表面氧原子发生反应。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外ZnO的研究进展
• 1.2.1 ZnO的性质与结构
• 1.2.2 纳米ZnO的应用
• 1.2.2.1 光学领域的应用
• 1.2.2.2 化学领域的应用
• 1.2.2.3 敏感材料领域的应用
• 1.2.2.4 纳米电器中的应用
• 1.3 ZnO光催化剂的研究进展
• 1.3.1 光催化剂的选择
• 1.3.2 ZnO光催化作用机理
• 1.3.2.1 电子-空穴理论
• 1.3.2.2 自由基传递过程
• 1.3.2.3 半导体量子效率
• 1.3.2.4 ZnO的光腐蚀机理
• 1.3.3 ZnO光催化剂在实际应用中存在的问题
• 1.3.3.1 量子产率偏低
• 1.3.3.2 光谱响应范围窄
• 1.3.3.3 光催化剂的分离和回收难
• 1.3.3.4 光催化剂的失活
• 1.3.4 ZnO光催化剂可见光响应的改性
• 1.3.4.1 复合半导体
• 1.3.4.2 表面光敏化及表面络合物作用
• 1.3.4.3 非金属元素掺杂
• 1.4 课题研究的目的、意义及内容
• 第2章 碳掺杂ZnO的制备和性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 催化剂的制备
• 2.2.3.1 碳掺杂ZnO制备
• 2制备'>2.2.3.2 氮掺杂TiO₂制备
• 2.2.4 气相光催化性能测试
• 2.2.5 样品的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 样品的热重分析
• 2.3.2 X射线光电子能谱测试
• 2.3.3 样品的XRD测试
• 2.3.4 紫外-可见漫反射图谱
• 2.3.5 荧光光谱分析
• 2.3.6 气相光催化降解甲醛的机理
• 2.3.7 气相光催化性能测试
• 2.4 小结
• 第3章 表面络合物的形成对氧化锌可见光催化活性和光稳定性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 样品的表征
• 3.2.4 光电化学性能测试
• 3.2.5 光催化性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 样品的XRD表征
• 3.3.2 红外光谱测试
• 3.3.3 荧光光谱分析
• 3.3.4 样品的热重分析
• 3.3.5 紫外-可见漫反射分析
• 3.3.6 可见光光催化性能分析
• 3.3.7 光电化学性能测试
• 3.3.8 光稳定性能分析
• 3.4 小结
• 第4章 结论
• 参考文献
• 发表论文及目录
• 致谢