ZnO/Ag纳米光催化剂的不同制备方法、N掺杂工艺及其光催化性能研究

摘要

纳米ZnO由于其特殊的能带结构和良好的化学稳定性，在很多领域特别是在与人类生活息息相关的光催化降解有机污染物领域有着独特的优势和广阔的应用前景。但由于纯ZnO具有较宽的禁带宽度和较高的电子空穴复合率，其应用受到很大的限制。研究表明:对ZnO进行贵金属沉积或金属/非金属元素掺杂能有效提高光生电子与空穴的分离效率，并减小ZnO的禁带宽度，从而提高其光催化活性。基于这一点，本文首先采用两种不同方法分别制备出贵金属Ag沉积的纳米ZnO材料，并以光催化降解甲基橙溶液的降解率为指标，分别优选出制备工艺;其次以氨气为N元素的掺杂源，对制备的ZnO/Ag纳米材料进行N掺杂，制备出具有良好的光催化性能的N掺杂ZnO/Ag纳米复合材料，并分析了N掺杂ZnO/Ag纳米复合材料中Ag含量对N掺杂量的影响规律。主要研究内容如下:
　　(1)以Zn(NO3)2·6H2O、AgNO3为原料，NaOH为沉淀剂，C6H12O6为还原剂，采用配合物沉淀法制备出ZnO/Ag纳米光催化剂，并以光催化降解甲基橙溶液降解率为指标，分析了产物的光催化性能，优选出制备工艺条件;采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜-(SEM)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、紫外可见分光光度仪(UV-Vis)等对制备产物的物相结构、微观形貌、Ag含量、光潜性质进行了表征。结果表明:当反应温度为60℃，Zn2+与OH-的物质的量比为1∶8，滴加顺序为将Zn(NO3)2与AgNO3的混合溶液滴入NaOH与C6H12O6的混合溶液中时，制备的ZnO/Ag纳米光催化剂光催化降解甲基橙性能最好，在模拟日光（800W氙灯）照射下120min，甲基橙的降解率达到91％。产物中ZnO为六方纤锌矿结构，呈短棒状，棒的直径约为80nm，长度约为500nm;Ag为面心立方结构，以粒子形式附着在ZnO棒表面，粒径约为20nm。
　　(2)以Zn(NO3)2·6H2O、AgNO3为原料，柠檬酸为还原剂，乙二醇为耦合剂，采用溶胶凝胶法制备出ZnO/Ag纳米光催化剂，并以光催化降解甲基橙溶液降解率为指标，分析了产物的光催化性能，优选出制备工艺条件;采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、紫外可见分光光度仪(UV-Vis)等对制备产物的物相结构、微观形貌、Ag含量、光谱性质进行了表征。结果表明:当前驱体煅烧温度为500℃，煅烧时间为120分钟时，得到的ZnO/Ag纳米光催化剂光催化降解甲基橙溶液效果最好，在模拟日光（800W氙灯）照射下120min，甲基橙的降解率达到100％，产物中ZnO与Ag均为粒子状。
　　(3)以NH3为氮源，采用气氛渗氮法对制备的ZnO/Ag纳米光催化剂进行N掺杂，并以光催化降解甲基橙降解率为指标，分析了产物的光催化性能并优选出制备工艺条件。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见分光光度仪(UV-Vis)等对制备产物的物相结构、微观形貌、光谱性质进行了表征。结果表明:当掺杂温度为600℃，反应时间为2h时，得到的N-ZnO/Ag纳米光催化剂光催化降解甲基橙性能最好。N掺杂没有改变ZnO及Ag的晶体结构和微观形貌，却大大提高了ZnO/Ag纳米光催化剂的光催化性能。
　　(4)采用配合物沉淀法制备出不同Ag含量的ZnO/Ag纳米光催化剂，并以模拟日光下光催化降解甲基橙降解率为指标，研究了Ag含量对ZnO/Ag纳米光催化剂光催化性能的影响规律;以NH3为氮源，在最佳N掺杂工艺条件下对不用Ag含量的ZnO/Ag纳米光催化剂进行N掺杂，研究了Ag含量对N掺杂量的影响规律。结果表明:当Ag的质量分数为5％时，ZnO/Ag纳米光催化剂的光催化性能最好;当Ag的质量分数为3％时，N掺杂量最多，为3.7wt％;当Ag的质量分数为8％时，N掺杂量为2.1wt％，N-ZnO/Ag纳米光催化剂的光催化性能最好。

目录

摘要

1 绪论

1．1 半导体型光催剂研究现状

1．1．1 光催化技术简介

1．1．2 光催化机理

1．1．3 影响半导体型光催化剂活性的因素

1．1．4 半导体型光催化剂的应用

1．2 无机纳米光催化剂研究现状

1．2．1 贵金属沉积型半导体光催化剂

1．2．2 半导体复合型光催化剂

1．2．3 元素掺杂型半导体光催化剂

1．2．4 多相复合纳米光催化剂

1．3 纳米ZnO的研究概况

1．3．1 纳米ZnO研究进展

1．3．2 纳米ZnO的结构

1．3．3 纳米ZnO的性质

1．3．4 纳米ZnO的制备方法

1．4 ZnO基纳米复合材料的研究概况

1．4．1 ZnO／Ag纳米复合材料研究概况

1．4．2 N掺杂znO纳米复合研究概况

1．5 选题依据及主要研究内容

1．5．1 选题依据

1．5．2 研究内容

1．6 项目来源

2 实验部分

2．1 实验试剂及仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．1．3 分析测试仪器

2．2 实验方法

2．2．1 ZnO／Ag纳米复合材料的制备

2．2．2 N掺杂ZnO／Ag的制备

2．2．3 光催化实验

2．3 表征分析方法

2．3．1 透射电子显微镜分析

2．3．2 结构及物相分析

2．3．3 电感耦合等离子体发射光谱分析

2．3．4 元素分析

2．3．5 紫外-可见吸收光谱的分析

3 不同方法制备纳米ZnO／Ag纳米光催化剂及其性能研究

3．1 配合物沉淀法制备ZnO／Ag纳米光催化剂工艺及性能研究

3．1．1 配合物沉淀法制备ZnO／Ag纳米光催化剂工艺研究

3．1．2 优选条件下所得纳米ZnO／Ag复合材料的表征

3．2 溶胶凝胶法制备ZnO／Ag纳米材料工艺及性能研究

3．2．1 溶胶凝胶法制备ZnO／Ag纳米光催化剂工艺研究

3．2．2 优选条件下所得纳米ZnO／Ag材料的表征

3．3 本章小结

4 NH3掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂的制备及性能研究

4．1 N掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂工艺研究

4．1．1 反应温度对N掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂光催化性能研究

4．1．2 反应时间对N掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂光催化性能研究

4．2 N掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂的物相分析

4．2．1 配合物法制备ZnO／Ag纳米光催化剂N掺杂后物相分析

4．2．2 溶胶凝胶法制备ZnO／Ag纳米光催化剂N掺杂后物相分析

4．3 N掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂的形貌分析

4．3．1 配合物法制备ZnO／Ag纳米光催化剂N掺杂后形貌分析

4．3．2 溶胶凝胶法制备ZnO／Ag纳米光催化剂N掺杂后形貌分析

4．4 N掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂的紫外．可见吸收光谱分析

4．4．1 配合物法制备ZnO／Ag纳米光催化剂N掺杂后吸收光谱分析

4．4．2 溶胶凝胶法制备ZnO／Ag纳米光催化剂N掺杂后吸收光谱分析

4．5 稳定性及光催化机理分析

4．6 本章小结

5 Ag含量对N掺杂ZnO／Ag纳米光催化剂性能影晌研究

5．1 不同Ag含量ZnO／Ag纳米光催化剂表征

5．1．1 不同Ag含量ZnO／Ag纳米光催化剂ICP分析

5．1．2 不同Ag含量ZnO／Ag纳米光催化剂结构分析

5．2 Ag含量对ZnO／Ag纳米光催化剂光催化性能影响研究

5．3 Ag含量对ZnO／Ag的N掺杂量影响研究

5．4 光催化机理探讨

5．4．1 Ag含量对N掺杂ZnO／Ag光催化性能影响机理

5．4．2 N含量对N掺杂ZnO／Ag光催化性能影响机理

5．5 本章小结

6 总结与创新点

6．1 结论

6．2 本文创新点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成绩

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