多孔氧化锌薄膜的制备及其光催化性能

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氧化锌(ZnO)是一种宽带隙(室温下3.2 eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,室温下激子结合能为60 meV,在发光、传感器、超疏水材料、燃料敏化太阳能电池、光催化降解有机废水等方面有着广泛的应用前景。本文以304型不锈钢片及丝网为基底,用氢气泡作为动态模板,阴极电沉积制备了多孔Zn薄膜,在空气气氛下,经350℃下加热1 h,450℃下加热2 h后,得到多孔ZnO薄膜。在多孔ZnO薄膜的基础上,利用光还原及阳极恒电势氟化方法分别制备了多孔Ag/ZnO和F/ZnO薄膜。结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量失散X射线谱(EDXS)、红外光谱(FIIR)、紫外漫反射(UVDRS)等表征手段,以10 mL(3~7mg·dm-3)的罗丹明(RhB)为模拟反应物、125 W荧光汞灯为光源,测试了多孔薄膜光催化降解有机物的性能,研究了制备条件对薄膜表面形貌、结构及光催化性能的影响规律。主要工作如下:1.以不锈钢片为基底电沉积制备微/纳米多孔Zn薄膜,进而加热氧化制备得到微/纳米多孔氧化锌薄膜。研究了电流密度、镀液浓度和温度对多孔金属Zn薄膜孔径大小和孔壁形貌的影响。结果表明,通过改变电流密度、镀液组成和温度,可以调控孔径大小和孔壁结构。在30℃的0.05 mol·dm-3 ZnSO4和2 mol·dm-3 NH4Cl溶液中,电流密度0.3~0.8 A·cm-2时可得到主孔径约为50~100μm的多孔Zn薄膜,构成孔壁的枝晶由大小为100~300 nm的颗粒构成。加热氧化处理后得到的微/纳米多孔氧化锌薄膜显示出优异的光催化降解RhB的性能。其中0.3 A·cm-2电流密度条件下得到的金属Zn薄膜经高温氧化后光催化性能最好,经过光照6 h后RhB降解率达到90%以上。2.在不锈钢丝网基底上能够简便地电沉积制备多孔Zn薄膜,控制电流密度、沉积时间可以有效的控制孔径的大小和孔壁形貌。实验结果表明,电流密度0.6A·cm-2,沉积时间60 s为最佳电沉积条件。多孔Zn薄膜经350℃下氧化1 h,450℃下氧化2 h后转变为多孔ZnO薄膜,该氧化条件下得到的多孔ZnO薄膜光催化降解RhB的性能最好,光照4 h后RhB降解率90%以上,而且同一样品重复使用10次,降解率仍保持在85%以上。3.采用光还原AgNO3的方法在多孔ZnO薄膜的表面负载金属Ag得到Ag/ZnO多孔薄膜。研究了Ag/ZnO多孔薄膜的结构、表面形貌、光学性质及光催化性能。结果表明,Ag修饰前后,薄膜的表面形貌发生明显变化,Ag/ZnO复合材料的吸收边界发生红移,光催化活性提高。光照2 h后,多孔Ag/ZnO薄膜光催化分解RhB的降解率在90%以上,同一样品重复20次,降解率保持在80%以上。4.以多孔ZnO薄膜作为工作电极,在0.5 mol·dm-3 Na2SO4和NaF溶液中,采用阳极恒电位氟化的方法制备了多孔F/ZnO薄膜,对薄膜的表面形貌及结构进行了表征。探讨了氟化电势、氟化时间、NaF溶液浓度等条件对光催化性能的影响。结果表明,氟化基本上没有影响薄膜的晶体结构,但改变了薄膜表面的形貌,降低了薄膜中的氧含量。在30 mmol·dm-3的NaF溶液中,电势0.8 V时氟化10min后得到的薄膜具有最佳的光催化性能,经2 h光照后,RhB的降解率达到94%,同一样品重复实验10次,降解率保持90%以上。
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