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SiO2（AG）/ZnO的制备及其吸附和光催化性能研究

2020-12-29阅读(204)

SiO2（AG）/ZnO的制备及其吸附和光催化性能研究

论文摘要

ZnO是一种典型的宽禁带直接带隙半导体材料（约3.37eV）,因其具有良好的生物相容性和环境安全性,作为一种很有前景的光催化材料而受到环境污染治理领域的广泛关注。众所周知,催化剂材料的结构、形貌、表面状态等因素对其性能和应用有重要的影响。近年来,已能控制制备多种不同形貌的ZnO,但深入分析形貌对其光催化活性影响的研究工作却开展较少。本论文针对催化剂形貌对其光催化活性影响的相关科学问题,选择不同形貌的ZnO开展光催化实验,深入分析了ZnO形貌对其光催化活性的影响。此外,考虑到ZnO对有机物的吸附行为对其光催化活性有显著影响,选用高吸附性能的SiO2气凝胶（英文缩写SiO2（AG））作为改性材料,制备了SiO2（AG）/ZnO的复合材料,以提高ZnO对有机物的吸附性能,探讨光催化剂吸附性能对其光催化活性的影响。以四针状ZnO晶须（T-ZnO）、纳米ZnO （n-ZnO）和微米ZnO （c-ZnO）三种不同形貌的ZnO为催化剂,硝基苯、苯酚、亚甲基蓝三种不同性质的有机物为目标物,进行了光催化降解对比实验。结果表明,三种不同形貌的ZnO对硝基苯、苯酚、亚甲基蓝的光催化降解活性均表现为T-ZnO最好,c-ZnO次之,n-ZnO最差。导致这一结果的原因主要有三方面：一是不同形貌的ZnO,其结构中的氧空位浓度存在差异,导致典型活性氧.OH的产率不同,表现在其光催化活性的显著差异。本课题组前期研究表明,T-ZnO氧空位浓度明显高于c-ZnO和n-ZnO,能产生更多的.OH,使其具有更好的光催化活性。二是生成.OH的过程中对光生空穴的消耗,可抑制光生空穴与ZnO表面的氧原子发生反应溶出Zn2+, T-ZnO光催化过程中产生的.OH最多,光催化反应过程中溶出Zn2+浓度最低,其光稳定性最好。三是T-ZnO具有特殊四针状结构,针尖尺寸为纳米级,使其具有纳米材料的活性,同时又克服了纳米材料容易发生团聚现象的缺陷,具有很好的分散性。n-ZnO的氧空位浓度高于c-ZnO,但光催化活性却更差,这是因为两种ZnO的氧空位浓度差异不大,但颗粒尺寸更小的n-ZnO在反应过程中更易发生团聚现象,导致光催化活性降低。采用溶胶凝胶法,在常压条件下通过溶剂交换法制备了SiO2（AG）及不同负载量的SiO2（AG）/T-ZnO复合材料。材料的表征结果表明,SiO2（AG）样品为由细微颗粒形成的疏松多孔结构,样品粒径分布均匀,比表面积为902m2/g,平均孔径为8.91nm,孔体积为2.01ml/g,具有很好的疏水性能,经500℃热处理,SiO2（AG）可以由疏水性转化为亲水性；SiO2（AG）/T-ZnO复合材料的BET和孔体积随着SiO2（AG）负载量的增加而增大,复合材料保持了SiO2（AG）和T-ZnO原有的材料学特性,SiO2（AG）/T-ZnO对紫外光的吸收强度与T-ZnO相比,无明显变化。以硝基苯、苯酚、亚甲基蓝三种不同性质的有机物为吸附质,SiO2（AG）、T-ZnO及SiO2（AG）/T-ZnO为吸附剂,系统研究了材料对有机物的吸附性能。结果表明,SiO2（AG）对硝基苯、苯酚、亚甲基蓝的吸附过程,吸附剂和吸附质之间的亲疏水作用起主导作用,疏水的SiO2（AG）对疏水的难溶有机物硝基苯有很好的吸附性能,而对亲水的易溶有机物苯酚和亚甲基蓝吸附会比较困难；500℃热处理后,疏水性SiO2（AG）转变为亲水性,对苯酚和亚甲基蓝表现出了较好的吸附性能,对硝基苯的吸附量明显降低。SiO2（AG）/T-ZnO复合材料对硝基苯的吸附性能相对于T-ZnO,明显改善,经500℃热处理后,对苯酚和亚甲基蓝的吸附性能明显改善。以硝基苯、苯酚、亚甲基蓝三种不同性质的有机物为目标物,T-ZnO及SiO2（AG）/T-ZnO为光催化剂,开展了有机物光催化降解动力学研究,系统探讨了材料吸附性能改善对有机物光催化降解效果的影响。结果表明,不同负载量的SiO2（AG）/T-ZnO复合材料相比,SiO2（AG）负载量为8.0%的SiO2（AG）/T-ZnO对硝基苯的光催化活性最好,经500℃热处理后,对苯酚和亚甲基蓝表现出更好的光催化活性。SiO2（AG）/T-ZnP、500℃热处理SiO2（AG）/T-ZnO和T-ZnO对硝基苯、苯酚、亚甲基蓝光催化反应过程的动力学研究结果表明,三种有机物在催化剂上的光催化降解过程符合准一级反应动力学方程。在考虑初始反应动力学时,硝基苯和苯酚的反应符合Langmuir-Hinshelwood动力学模型,催化剂对有机物吸附性能的改善使光催化剂对有机物具有更好的光催化活性；随着亚甲基蓝浓度增大,考虑初始动力学时,光催化初始反应速率与初始浓度线性相关性变差,亚甲基蓝浓度增大,使其色度增加,影响光源的吸收和利用,使光催化活性明显降低；此时,催化剂对有机物吸附性能的改善对其光催化活性的发挥不起作用。这一结果说明光催化技术不适宜处理高浓度的染料废水。以硝基苯溶液为模拟废水,SiO2（AG）负载量为8.0%的SiO2（AG）/T-ZnO为催化剂,对硝基苯废水光催化反应影响因素进行了深入分析。结果表明,常温条件下,硝基苯的表观反应速率常数随着其初始浓度的增大而降低；对硝基苯初始浓度为24.0mg/1的溶液,SiO2（AG）/T-ZnO的最佳投放量为2.0g/1,硝基苯去除率达82.1%；反应温度对光催化去除率无明显影响；按1.5ml/1的量向反应体系中加入30.0%的H2O2,硝基苯的去除率可由82.1%提高到85.8%；工业废水常见的阴离子中,Cl-、SO42-使硝基苯的光催化去除率明显降低,且SO42-的抑制作用比Cl-更大,而NO3-对硝基苯的光催化去除率基本没有影响；在处理硝基苯和亚甲基蓝的混合废水时,亲水性的亚甲基蓝对硝基苯的光催化降解影响较小；相反,亚甲基蓝的光催化降解受到明显抑制,其原因是SiO2（AG）/T-ZnO表面负载了疏水性SiO2,能优先吸附疏水性的硝基苯,实现有机物的选择性降解。可重复性实验结果表明,SiO2（AG）/T-ZnO重复使用三次,仍能保持较好的光催化性能。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 水环境中难降解有机污染物处理研究进展
  • 1.2.1 水环境中的难降解有机污染物及其危害
  • 1.2.2 水环境中难降解有机物处理方法
  • 1.3 光催化材料的研究进展
  • 1.4 ZnO光催化技术降解有机污染物的研究进展
  • 1.4.1 ZnO的性质及形貌特征
  • 1.4.2 ZnO光催化机理
  • 1.4.3 ZnO光催化活性的影响因素
  • 1.4.4 提高ZnO光催化活性的方法和途径
  • 2（AG）的制备及其应用的研究进展'>1.5 SiO2（AG）的制备及其应用的研究进展
  • 2（AG）制备方法'>1.5.1 SiO2（AG）制备方法
  • 2（AG）性质和应用'>1.5.2 SiO2（AG）性质和应用
  • 1.6 本论文研究目的及研究内容
  • 1.6.1 研究目的
  • 1.6.2 研究内容
  • 第2章 不同形貌ZnO的光催化性能与光稳定性研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验部分
  • 2.2.1 实验原料
  • 2.2.2 材料表征
  • 2.2.3 ZnO光催化性能测试
  • 2.2.4 ZnO光稳定性测试
  • 2.3 结果与讨论
  • 2.3.1 ZnO材料表征
  • 2.3.2 三种ZnO的光催化性能比较
  • 2.3.3 光源对ZnO光催化效果的影响
  • 2.3.4 ZnO投放量对光催化效果的影响
  • 2.3.5 三种ZnO的光稳定性
  • 2.4 本章小结
  • 2（AG）/T-ZnO复合材料的制备与表征'>第3章 SiO2（AG）/T-ZnO复合材料的制备与表征
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 实验原料及试剂
  • 3.2.2 材料的制备
  • 3.2.3 材料表征
  • 3.3 结果与讨论
  • 2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料微观形貌'>3.3.1 SiO2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料微观形貌
  • 2（AG）/T-ZnO复合材料的晶体结构'>3.3.2 SiO2（AG）/T-ZnO复合材料的晶体结构
  • 2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料的比表面积和孔结构分析'>3.3.3 SiO2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料的比表面积和孔结构分析
  • 2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料UV-vis DRS分析'>3.3.4 SiO2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料UV-vis DRS分析
  • 2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料FT-IR分析'>3.3.5 SiO2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料FT-IR分析
  • 2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料接触角'>3.3.6 SiO2（AG）及SiO2（AG）/T-ZnO复合材料接触角
  • 3.4 本章小结
  • 2（AG）/T-ZnO复合材料对有机物吸附性能研究'>第4章 SiO2（AG）/T-ZnO复合材料对有机物吸附性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 固-液吸附理论
  • 4.2.1 Langmuir等温吸附模型
  • 4.2.2 Freundlich等温吸附模型
  • 4.3 实验部分
  • 4.3.1 实验原料和试剂
  • 4.3.2 吸附等温线测定
  • 4.3.3 溶液中有机物浓度检测方法
  • 4.4 结果与讨论
  • 2（AG）吸附性能研究'>4.4.1 SiO2（AG）吸附性能研究
  • 2（AG）/T-ZnO吸附性能研究'>4.4.2 SiO2（AG）/T-ZnO吸附性能研究
  • 4.4.3 三种有机物在不同吸附剂上的吸附性能差异分析
  • 4.5 本章小结
  • 2（AG）/T-ZnO光催化性能研究'>第5章 SiO2（AG）/T-ZnO光催化性能研究
  • 5.1 前言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 实验原料和试剂
  • 5.2.2 光催化反应实验
  • 5.2.3 光催化反应动力学研究方法
  • 5.2.4 溶液中有机物浓度检测方法
  • 5.3 结果与讨论
  • 2（AG）负载对T-ZnO光催化活性的影响'>5.3.1 SiO2（AG）负载对T-ZnO光催化活性的影响
  • 5.3.2 复合材料光催化降解有机物动力学研究
  • 5.4 本章小结
  • 2（AG）/T-ZnO光催化降解硝基苯影响因素研究'>第6章 SiO2（AG）/T-ZnO光催化降解硝基苯影响因素研究
  • 6.1 前言
  • 6.2 实验部分
  • 6.2.1 实验原料和试剂
  • 6.2.2 实验方法
  • 6.2.3 溶液中硝基苯浓度检测方法
  • 6.3 结果与讨论
  • 6.3.1 硝基苯初始浓度的影响
  • 6.3.2 催化剂投加量的影响
  • 6.3.3 反应温度的影响
  • 2O2的影响'>6.3.4 H2O2的影响
  • 6.3.5 无机阴离子的影响
  • 6.3.6 共存有机物的影响
  • 2（AG）/T-ZnO稳定性'>6.3.7 SiO2（AG）/T-ZnO稳定性
  • 6.4 本章小结
  • 结论与展望
  • 全文结论
  • 创新点
  • 工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

    • 相关论文文献

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