纳米ZnO粉体的制备及其光催化性能研究

摘要

本文分别对高分子网络法、溶胶-凝胶法和均匀沉淀法合成纳米氧化锌粉体进行了详细地研究，并研究了离子掺杂对纳米氧化锌粒径、形貌及其光催化性能的影响，分别采用X射线衍射仪、透射电镜、和紫外分光光度计进行了表征。 实验结果明，采用高分子网络凝胶法、溶胶-凝胶法、均匀沉淀法均能获得结晶良好、纯度高的六方晶系红锌矿型纳米ZnO粉体。但由于工艺条件的限制，这些方法各有其优缺点，高分子网络法制备纳米ZnO的周期比较短(时间为15h左右)，但是该方法所用的有机试剂较多，成本较高，而且对反应设备的要求非常严格，实验可重复性差，不易实现工业化。溶胶.凝胶法制备纳米ZnO，虽然原料的成本的低，但是凝胶干燥困难，制备周期很长(时间为38h左右)，而且凝胶很容易粘在器壁上难于取出，给后续的处理带来很多不便，亦不易实现工业化生产。均匀沉淀法制备纳米ZnO，工艺相对比较简单，制备周期也比较短(时间为11h左右)，但是所制备的粉体粒径分布较宽，团聚比较严重。 采用高分子网络凝胶法制备的纳米ZnO粒子平均晶粒尺寸在20～60nm范围内。综合衍射峰形态、半高宽、晶粒度、节能考虑，高分子网络法制备纳米ZnO过程中的优化工艺条件为：单体和网络剂比例为5:1、Zn2+浓度为0.35mol/L、引发剂与单体双键的比例为1:20(摩尔比)、溶液pH值的范围在5～6、反应温度80℃、反应时间2h、干燥温度100℃、干燥时间4h、热处理度为650℃。 采用溶胶-凝胶法在热处理温度为550℃热处理1h时制备的纯纳米ZnO的平均晶粒度最小为28.33nm。随热处理温度的升高，纳米ZnO的平均晶粒尺寸呈现出先减小后增大的趋势，而平均结晶度则呈现出相反的趋势。La3+的掺入可抑制ZnO晶核的生长，当La3+掺入量为0.2％时，纳米ZnO粒子的晶粒尺寸达到最小，为21.27nm。随着La3+掺入量继续增加，晶粒尺寸长大。 采用均匀沉淀法制备的纯相纳米ZnO粉体和Bi3+掺杂纳米ZnO粉体均为六方晶系红锌矿结构，掺杂并未改变ZnO的晶系结构，但对其晶粒形貌产生了影响，除了球状形貌外，还产生了大量棒状结构，长度在30～200nm不等。 纳米ZnO的光催化性能研究结果表明：La3+离子的掺杂对纳米ZnO粉末的光催化效果有明显的改善，随着La3+离子掺入量的增加，纳米ZnO的光催化活性呈现先升后降的趋势。当La3+掺杂摩尔比为0.2％时，降解率最高，光照时间15min降解率可达68.31％。而Bi3+离子的掺杂降低了纳米ZnO的光催化活性，光照80minMB的降解率已由68.26％降低到10.02％，但随着Bi3+掺杂量的增加，其光催化活性有所改善，当掺杂量达到3％时，光催化降解率又升高到46.98％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题研究的目的及意义

1.2纳米ZnO的国内外研究现状及其未来发展趋势

1.2.1纳米ZnO粉体的制备方法

1.2.2纳米ZnO粉体的应用

1.2.3纳米ZnO的未来发展趋势

1.3纳米ZnO的晶体结构及基本特征

1.4本课题所采用的测试方法

1.4.1差热-热重分析(TG-DTA)

1.4.2 X射线衍射分析及衍射宽化法测粒径

1.4.3透射电子显微分析(TEM)

1.4.4 EDTA含量分析

1.4.5分散性分析

1.4.6光催化性能分析

1.5本课题的研究目标及主要内容

1.5.1本课题研究的目标

1.5.2本课题研究的主要内容

第2章 高分子网络凝胶法制备纳米ZnO粉体及其分散性研究

2.1高分子网络法及粉体分散性概述

2.1.1高分子网络凝胶法的基本原理

2.1.2 PEG改性纳米ZnO的基本原理

2.2样品制备

2.2.1实验试剂

2.2.2实验仪器

2.2.3纳米ZnO的制备

2.3结果分析与讨论

2.3.1 TG-DTA分析

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3透射电子显微(TEM)分析

2.3.4纳米ZnO的分散性研究

2.4本章小结

第3章溶胶-凝胶法制备掺杂纳米ZnO粉体的研究

3.1溶胶-凝胶法的基本工艺原理

3.2样品制备

3.2.1实验药品

3.2.2实验仪器

3.2.3纯相纳米ZnO的制备工艺

3.2.4掺杂纳米ZnO的制备工艺

3.3结果分析与讨论

3.3.1差热-热重分析(DTA-TG)

3.3.2 X射线衍射分析

3.3.3透射电子显微分析

3.4本章小结

第4章均匀沉淀法制备掺杂纳米ZnO粉体及其形貌分析

4.1均匀沉淀法基本原理

4.2样品制备

4.2.1实验药品

4.2.2实验仪器

4.2.3纯相纳米ZnO粉体的制备工艺

4.2.4掺杂纳米ZnO粉体的制备工艺

4.3结果分析与讨论

4.3.1差热-热重(DTA-TG)分析

4.3.2 X射线衍射分析

4.3.3透射电子显微分析

4.4本章小结

第5章3种制备纳米ZnO方法的比较及其光催化性能分析

5.1 3种制备纳米ZnO粉体方法的比较

5.2纳米ZnO的光催化性能分析

5.2.1纳米ZnO光催化机理概述

5.2.2光催化实验

5.2.3 La3+离子掺杂对纳米ZnO光催化性能的影响

5.2.4 Bi3+离子掺杂对纳米ZnO光催化性能的影响

5.3本章小结

第6章全文结论及展望

6.1全文结论

6.2本文创新点

6.3进一步开展研究工作的思路

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参研项目