M-Zn-O(M=Ag,Sn)的合成、表征及其光催化性能研究

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近年来,半导体光催化降解有机污染物技术作为一种有效的环境污染治理技术已得到人们广泛关注。氧化锌(ZnO)是一种宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.2eV,同时也是极少数几个可以实现量子尺寸效应的氧化物半导体材料之一;另外,ZnO具有化学稳定性高、无毒、廉价、且价带能级较低的等特点,是一种具有良好应用前景的光催化剂。然而,纯ZnO存在光谱响应范围窄、电子-空穴易复合等缺点,导致其光催化效率较低,从而限制其应用范围。贵金属沉积和半导体复合等可以提高催化剂的光催化效率,所以,通过掺杂等方法改善ZnO光催化性能成为该领域研究的热点和挑战。本论文分别对超细Ag-Zn-O和Sn-Zn-O复合光催化剂的性质、光催化性能及构效关系进行研究。一、超细Ag-Zn-O复合氧化物光催化剂的制备、表征及其光催化降解异丙醇性能利用柠檬酸溶胶-凝胶法合成超细Ag-ZnO复合光催化剂;采用X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM).N2等温吸附-脱附、紫外可见吸收光谱(UV-vis)和光致发光(PL)等对其结构、形貌以及光谱特性进行了表征;以紫外光光催化降解异丙醇为模型反应,考察了Ag-ZnO复合光催化剂的光催化性能。讨论了催化剂的性质对其光催化性能的影响。实验结果表明:(1)采用柠檬酸溶胶-凝胶法制得超细Ag-ZnO复合粉体.Ag的添加降低了ZnO的粒径,且随着Ag添加量的增加,ZnO的粒径逐渐增大,比表面积逐渐减小。Ag能产生等离子体共振吸收,有效地扩大了ZnO的光谱吸收范围。(2)添加了贵金属Ag的ZnO粉体的光催化活性得到了明显的提高。500℃焙烧的5%Ag-ZnO的光催化降解异丙醇的效率最高,紫外光照4h后的降解率为83%,略高于P25TiO2。(3)对Ag-ZnO复合光催化剂上降解异丙醇的反应条件进行优化,催化剂投加量为1g/L、溶液pH值为5时,5%Ag-ZnO的光催化性能最佳。异丙醇在纯ZnO和5%Ag-Zn0上的光催化降解反应具有一级反应动力学特征,且5%Ag-ZnO相对纯ZnO具有较高的光催化活性,5%Ag-ZnO的表观反应速率常数为0.199mmol/L.min-1,约为ZnO的10倍。二、超细Sn-Zn-O复合氧化物光催化剂的制备、表征及其光催化降解甲醛性能为了进一步完善ZnO的性能改进的研究,本论文采用共沉淀-超声后处理法制备了纳米Sn-Zn-O复合光催化剂,通过XRD、N2等温吸附-脱附、FT-IR、UV-vis等对其结构和形貌及性质进行表征,并以光催化降解甲醛反应为模型对其催化活性进行考察。实验结果表明:(1)采用共沉淀-超声后处理法合成的纳米Sn-Zn-O均为无定形态,比表面积均大于纯ZnO。n(Zn)/n(Sn)=1时,Sn-Zn-O复合光催化剂的紫外可见吸收边蓝移最明显。紫外光照4h后,Sn1-Zn1-O光催化降解甲醛的效率最高,降解率为72%,高于P25TiO2。(2)考察了不同反应条件对纳米Sn-Zn-O复合光催化剂光催化降解甲醛的影响。当n(Zn)/n(Sn)比为1,催化剂投加量为1g/L,溶液pH值为12,光催化性能最佳。甲醛在ZnO和Sn1-Zn1-O上光催化降解符合一级动力学行为,且Zn1-Sn1-O相对纯ZnO具有较高的光催化活性,纯ZnO和Sn1-Zn1-O的表观反应速率常数分别为0.2227mg/L·min-1和1.138mg/L·min-1.
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