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近年来,吸附法、电催化氧化、光催化氧化法广泛应用于去除印染废水的有机污染物。其中,半导体光催化氧化法日益受到重视,此法能处理多种污染物,适用面广,特别是对难降解的有机物具备很好的氧化分解作用。此外,光催化反应还具有反应条件温和、设备简单、二次污染小、易于操作控制、催化材料易得、运行成本低、对低浓度污染物及气相污染物也有很好的去除效果、可望用太阳光为反应光源等优点,是一种非常有前途的废水污染清洁治理技术。而纳米材料往往具备独特的结构和优异的性能,能提高催化降解、吸附废水中有机物的效率,近年来也已成为印染废水处理领域研究的热点,并取得了巨大的进展。
氧化锌(ZnO)是一种多功能宽带隙氧化物半导体材料,室温下禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV。它具有优异的催化、光学、光电、压电、气敏等特性,且易于与多种半导体材料实现集成化。此外,它可以通过掺杂改变其光学和电学性质,因此ZnO在许多方面具有广泛的应用。由于ZnO在强酸性和碱性溶液当中易于溶解、在可见光下光催化活性较低等缺点限制了ZnO在光催化中的应用。在ZnO表面耦合一种窄带半导体如CdS、CdSe等制成复合光催化剂,不仅可以增加其光化活性还可以提高稳定性。
然而,如何采用有效的制备方法合成ZnO复合光催化剂并对其微结构和有关性能进行研究是目前极需解决的难题。
由于CdS的带隙能只有2.4 eV,对可见光有较强的吸收,而且能带结构与ZnO的通带结构匹配。因此,本论文主要通过电化学沉积得到ZnO/CdS核-壳纳米棒材料,借助SEM、TEM、XRD、EDS等手段对ZnO/CdS核-壳纳米棒材料进行微观结构的分析,并研究其光降解甲基橙的性能。
首先,采用非模板电沉积法在FTO导电玻璃上制备ZnO纳米棒阵列。通过改变各种实验条件如支持电解质或添加剂的浓度、沉积时间、电流密度等,研究对ZnO纳米棒生长的影响因素,寻找最优的制备条件。
其次,在上一步的基础上,再通过电沉积的方法在ZnO表面复合一层CdS,得到ZnO/CdS核.壳纳米棒复合光催化剂。通过控制电沉积时间在Zn0纳米棒表面上得到厚度不同的CdS层,得到三种不同的ZnO/CdS核-壳纳米棒。光降解甲基橙(MO)实验表明了ZnO/CdS核-壳纳米棒的光催化活性比单纯的ZnO纳米棒好,且沉积时间为15和30 min的效果最好。
纳米材料由于其比表面积大、吸附能力强已经在水处理中应用,特别是去除有机染料。本论文还发展了一种简单且快速、无需模板及表面活性剂的电沉积方法来制备大面积有序的多孔Nd(OH)3纳米带阵列用于吸附有机染料。通过研究纳米带阵列的不同生长阶段,提出了纳米带阵列生长机理。多孔Nd(OH)3纳米带的BET比表面积达到了91.5 m2/g,对刚果红具有很好吸附速率,刚果红溶液(100 mg/L,50 mL)在30 min后颜色已经完全消失,吸附容量达到250 mg/g。