ZnO光催化材料的制备及具体表现
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ZnO光催化材料的制备及具 体表现
主要内容
1 绪论 2 ZnO纳米空心球的无模板溶剂热制备及光催化性能 3 ZnO/C复合空心微球的水热制备及光催化活性 4 GO掺杂纳米ZnO的溶剂热制备及光催化性能 5 结论
1.1 研究背景
1 绪论
据报道，2015年是中国有历史统计以 来的“最强厄尔尼诺年”，多国气象 机构确认厄尔尼诺已经形成。
C /C t0
The reaction constant （k/10 -3min-1）
光催化性能分析
活性分析
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6 1h
0.5
1.5h
2h
0.4
4h
0.3
0.2
0.1 0
20
40
60
80
100
120
Time(min)
14
12
10
பைடு நூலகம்
8
6
5.51
4
2
0
1h
9.68
13.67
11.24
2.1 结果与讨论
SEM和TEM分析
溶剂热时间1 h
1.5 h
2h
4h
溶剂热1 h时，没有完整的球形结构。随着溶剂热时间的增长，大 量的不完美的球形组件和零碎的团聚体逐渐消失，表面越来越均 匀。而时间延长到4 h时，球体表面颗粒团聚严重。
PVP添加量0 g
0.2 g
0.4 g
PVP 0 g时的样品团聚得非常厉害，几乎无法获得完整的球体。 加入0.2 g PVP时有规则的纳米氧化锌球体形成，不过表面粒子吸 附不太均匀。当PVP含量为0.4 g时，完整的纳米ZnO球体形成， 表面颗粒吸附均匀。
60
0.06
50
0.05
1h 2h
4h
0.04
40
0.03
0.02
0.01
30
0.00
10
Pore size (nm)
20
1h 2h 4h
10
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Relative Presure (p/p ) 0
样品的物理性质
相对压力P/P0接近1有较高的吸附，意味着大孔的存在。从插图 可以看到三个样品的孔径分布集中在介孔区域（2-50 nm）。随 着溶剂热时间的延长，比表面积和孔体积逐渐减小。
尿素添加量0.25 g
0.5 g
0.75 g
尿素添加量为0.25 g和0.5 g时，生成的ZnO样品形貌相差不大， 并有空心球的出现；尿素量0.75 g时，ZnO开始不规则团聚。这 表明，一定量的尿素含量对ZnO空心球的制备机理有一定的影响。
溶剂热2 h，PVP 0.4 g,尿素0.5 g
可以看到图像中微球的黑暗边缘和明亮中心有一种强烈的对比差 异，可以确认它们是空心结构的微球。
1.4 纳米氧一化、锌选的前题景的展背望景和意义
降解有机污染物 (环境)（抗菌消毒）
纳米ZnO应用
光解水制氢 (能源)
光诱导超亲水性 (自清洁)
ZnO
2 ZnO纳米空心球的无模板溶剂热制备 及光催化性能
本章采用乙二醇溶剂为反应体系，可控制 备纳米ZnO空心球，并考察溶剂热反应时 间、PVP添加量、尿素添加量等三个参数 对所制备ZnO空心球的形貌、晶化、颗粒 尺寸和光催化活性的影响，并提出了空心 球的形成机理。
160 min 140 min 120 min 100 min
80 min 60 min
40 min 20 min
0 min
400
450
500
550
Wavelength (nm)
随着紫外光照射时间的延长， 吸收峰的强度逐渐减弱，表明 ZnO样品能够有效地光催化降 解RhB水溶液。
对应的荧光强度来源于2-羟基 对苯二甲酸（由对苯二甲酸 与·OH反应生成而来），其强 度与溶液中产生的·OH的数量 是成正比例关系的，表明光降 解过程中不断产生·OH。
ZnO/g-C3N4纳米复 合材料可促进电子
–空穴的有效分离，
提高光催化活性。
氧化石墨烯
催化 能量存储 生物传感器 药物运输
单层的二维蜂窝状结 构的sp2碳网络 表面积很高 电子传输性能优良
ZnO-GO复合材料
石墨烯高效、快速的电子迁移有效地减小了ZnO-GO 复合材料光诱导产生的电子空穴对的复合速率，从而 大大提高了材料的光催化性能。
生长机理
气泡，驱动力，碱性条件，成核开始， ZnO颗粒的聚集，空心微球
XRD分析
Relative Intensity (100) (002) (103)
(101)
(102)
(110)
8h
4h
2h 1.5 h
随着溶剂热时间的延长， 峰强度不断变尖锐、半高 宽不断变窄。说明溶剂热 反应时间越长，形成的纳
解决当前日益严重的环境污染问 题是我国实现可持续发展和提高 人民生活质量的重要前提。
由于半导体光催化剂化学性质稳定，降 解污染物彻底，可重复回收使用，成本 低，制备原料简单易得，反应速度快， 氧化还原能力很强等优点，因而在实际 应用中大量用于环境污染治理。
1.2 ZnO的常用合成方法
水解法 沉淀法
水热法 喷雾法
粒子纯度高 分散性好 晶形好且可控制 生产成本低 工艺简单
1.3 新型光催化材料
g-C3N4
制备简单廉价 低的比表面积
稳定
低的可见光有效利用率
中能带
低的量子效率
ZnO/g-C3N4纳米复合材料
ZnO价带上的h+会跃迁到C3N4的价带上。 C3N4导带的e-转移到ZnO导带上。 e-从C3N4导带转移到ZnO导带上，h+则 从ZnO价带转移到C3N4价带上。
1 h 米ZnO晶化程度越强，结
20
30
40
50
60
70 构越接近完整。
2
FTIR分析
O-H拉伸振动和弯曲振动： 3400和1630cm-1，表明了吸 附水分子的存在。
Zn-O键的晶格振动472cm-1。
比表面积分析
氮气吸附-脱附等温线及孔径分布
Adsorbed Volume (cm3/g) dV/dlogw(cm3/g)
C /C t0
循环实验
1.0
1 sd
2 sd
0.8
3 sd
4 sd
5 sd
0.6
0.4
0.2
0
100
200
300
400
500
600
Time(min)
经过5次重复实验，制备的ZnO 在光催化降解污染物过程中， 光催化降解性能没有明显的降 低，表现出很高的稳定性。
1.5 h 2 h
4h
随着照射时间的增加，不同 时间制备的样品对RhB水溶 液浓度均逐渐减小。
速率常数k 随着溶剂热时间 的增加先增后减，并在2 h时 达最大。
紫外可见吸收光谱
FL intensity (a.u.)
·OH的定性分析
180 160 140 120 100
80 60 40 20
0 350
主要内容
1 绪论 2 ZnO纳米空心球的无模板溶剂热制备及光催化性能 3 ZnO/C复合空心微球的水热制备及光催化活性 4 GO掺杂纳米ZnO的溶剂热制备及光催化性能 5 结论
1.1 研究背景
1 绪论
据报道，2015年是中国有历史统计以 来的“最强厄尔尼诺年”，多国气象 机构确认厄尔尼诺已经形成。
C /C t0
The reaction constant （k/10 -3min-1）
光催化性能分析
活性分析
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6 1h
0.5
1.5h
2h
0.4
4h
0.3
0.2
0.1 0
20
40
60
80
100
120
Time(min)
14
12
10
பைடு நூலகம்
8
6
5.51
4
2
0
1h
9.68
13.67
11.24
2.1 结果与讨论
SEM和TEM分析
溶剂热时间1 h
1.5 h
2h
4h
溶剂热1 h时，没有完整的球形结构。随着溶剂热时间的增长，大 量的不完美的球形组件和零碎的团聚体逐渐消失，表面越来越均 匀。而时间延长到4 h时，球体表面颗粒团聚严重。
PVP添加量0 g
0.2 g
0.4 g
PVP 0 g时的样品团聚得非常厉害，几乎无法获得完整的球体。 加入0.2 g PVP时有规则的纳米氧化锌球体形成，不过表面粒子吸 附不太均匀。当PVP含量为0.4 g时，完整的纳米ZnO球体形成， 表面颗粒吸附均匀。
60
0.06
50
0.05
1h 2h
4h
0.04
40
0.03
0.02
0.01
30
0.00
10
Pore size (nm)
20
1h 2h 4h
10
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Relative Presure (p/p ) 0
样品的物理性质
相对压力P/P0接近1有较高的吸附，意味着大孔的存在。从插图 可以看到三个样品的孔径分布集中在介孔区域（2-50 nm）。随 着溶剂热时间的延长，比表面积和孔体积逐渐减小。
尿素添加量0.25 g
0.5 g
0.75 g
尿素添加量为0.25 g和0.5 g时，生成的ZnO样品形貌相差不大， 并有空心球的出现；尿素量0.75 g时，ZnO开始不规则团聚。这 表明，一定量的尿素含量对ZnO空心球的制备机理有一定的影响。
溶剂热2 h，PVP 0.4 g,尿素0.5 g
可以看到图像中微球的黑暗边缘和明亮中心有一种强烈的对比差 异，可以确认它们是空心结构的微球。
1.4 纳米氧一化、锌选的前题景的展背望景和意义
降解有机污染物 (环境)（抗菌消毒）
纳米ZnO应用
光解水制氢 (能源)
光诱导超亲水性 (自清洁)
ZnO
2 ZnO纳米空心球的无模板溶剂热制备 及光催化性能
本章采用乙二醇溶剂为反应体系，可控制 备纳米ZnO空心球，并考察溶剂热反应时 间、PVP添加量、尿素添加量等三个参数 对所制备ZnO空心球的形貌、晶化、颗粒 尺寸和光催化活性的影响，并提出了空心 球的形成机理。
160 min 140 min 120 min 100 min
80 min 60 min
40 min 20 min
0 min
400
450
500
550
Wavelength (nm)
随着紫外光照射时间的延长， 吸收峰的强度逐渐减弱，表明 ZnO样品能够有效地光催化降 解RhB水溶液。
对应的荧光强度来源于2-羟基 对苯二甲酸（由对苯二甲酸 与·OH反应生成而来），其强 度与溶液中产生的·OH的数量 是成正比例关系的，表明光降 解过程中不断产生·OH。
ZnO/g-C3N4纳米复 合材料可促进电子
–空穴的有效分离，
提高光催化活性。
氧化石墨烯
催化 能量存储 生物传感器 药物运输
单层的二维蜂窝状结 构的sp2碳网络 表面积很高 电子传输性能优良
ZnO-GO复合材料
石墨烯高效、快速的电子迁移有效地减小了ZnO-GO 复合材料光诱导产生的电子空穴对的复合速率，从而 大大提高了材料的光催化性能。
生长机理
气泡，驱动力，碱性条件，成核开始， ZnO颗粒的聚集，空心微球
XRD分析
Relative Intensity (100) (002) (103)
(101)
(102)
(110)
8h
4h
2h 1.5 h
随着溶剂热时间的延长， 峰强度不断变尖锐、半高 宽不断变窄。说明溶剂热 反应时间越长，形成的纳
解决当前日益严重的环境污染问 题是我国实现可持续发展和提高 人民生活质量的重要前提。
由于半导体光催化剂化学性质稳定，降 解污染物彻底，可重复回收使用，成本 低，制备原料简单易得，反应速度快， 氧化还原能力很强等优点，因而在实际 应用中大量用于环境污染治理。
1.2 ZnO的常用合成方法
水解法 沉淀法
水热法 喷雾法
粒子纯度高 分散性好 晶形好且可控制 生产成本低 工艺简单
1.3 新型光催化材料
g-C3N4
制备简单廉价 低的比表面积
稳定
低的可见光有效利用率
中能带
低的量子效率
ZnO/g-C3N4纳米复合材料
ZnO价带上的h+会跃迁到C3N4的价带上。 C3N4导带的e-转移到ZnO导带上。 e-从C3N4导带转移到ZnO导带上，h+则 从ZnO价带转移到C3N4价带上。
1 h 米ZnO晶化程度越强，结
20
30
40
50
60
70 构越接近完整。
2
FTIR分析
O-H拉伸振动和弯曲振动： 3400和1630cm-1，表明了吸 附水分子的存在。
Zn-O键的晶格振动472cm-1。
比表面积分析
氮气吸附-脱附等温线及孔径分布
Adsorbed Volume (cm3/g) dV/dlogw(cm3/g)
C /C t0
循环实验
1.0
1 sd
2 sd
0.8
3 sd
4 sd
5 sd
0.6
0.4
0.2
0
100
200
300
400
500
600
Time(min)
经过5次重复实验，制备的ZnO 在光催化降解污染物过程中， 光催化降解性能没有明显的降 低，表现出很高的稳定性。
1.5 h 2 h
4h
随着照射时间的增加，不同 时间制备的样品对RhB水溶 液浓度均逐渐减小。
速率常数k 随着溶剂热时间 的增加先增后减，并在2 h时 达最大。
紫外可见吸收光谱
FL intensity (a.u.)
·OH的定性分析
180 160 140 120 100
80 60 40 20
0 350