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[学位]

ZnO半导体复合材料的合成及光催化性能的研究

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Author:

马娟 (马娟.)

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Abstract:

充分利用太阳能解决能源短缺和环境污染是实现人类可持续发展的有效途径之一。光催化技术在转化太阳能的同时,能彻底降解污染物、无二次污染,具有巨大的经济效益及社会效益,成为近年来国内外研究的热点之一。常用的光催化剂大多是半导体材料,它们的帯隙宽度比较大,比如TiO2、ZnO、SrTiO3等。这些半导体材料只能吸收太阳光中能量比较大的紫外光部分,而紫外光所含能量在太阳光总能量中不足5%。若将窄帯隙CuS和Cu2O与宽帯隙半导体ZnO复合,在扩宽ZnO吸光范围的同时,还会提高光稳定性,促进光生电子-空穴对的分离、降低复合率,进而提高单一半导体催化剂的光催化性能。本论文旨在通过半导体复合的方法制备出性能优异的光催化剂。
    首先,以ITO做载体,先在室温下采用浸渍-提拉法制备出ZnO纳米晶作为种子层,再结合低成本的水热生长法合成了一维有序的ZnO纳米棒阵列。结果表明,ZnO纳米棒阵列的长度和直径会随着前驱液的浓度和溶胶陈化时间以及水热生长时间的延长而增加。当前驱液浓度为0.5mol?L-1、溶胶陈化时间为24h、提拉3次(种子层约为0.324μm)、水热生长3次、每次150min时,形成沿c族择优取向的纤锌矿结构ZnO纳米棒阵列。ZnO的这种纳米棒结构不仅使其比表面积比较大,还为电子传递提供了快捷通道,有利于电子-空穴对的分离,这将有利于光催化反应中氧化还原反应的发生和进行。将ZnO纳米棒阵列光照降解亚甲基蓝测试其光催化性能,光照90min时亚甲基蓝的降解率达到84%。
其次,通过不同方法制备了形貌各异的CuS颗粒。沉淀法制备的CuS纳米颗粒的直径随前驱液浓度的增大而增大,当前驱液浓度为0.025mol?L-1时,颗粒间分散性良好,平均粒径约为100nm。水热法制备的CuS颗粒是由直径约为10nm的纳米粒子聚集成的微球,随着反应时间的延长,微球的粒径不断增大。在此基础上,采用不同顺序将CuS颗粒和ZnO颗粒复合,CuS/ZnO复合材料由花状空心微球组成,微球表面有很多翅片和孔道。光催化结果表明,复合半导体材料的光降解效果优于单一半导体材料CuS或ZnO,尤其是CuS/ZnO复合半导体光降解效率明显提高,其光降解效率至90min时达到88%。
最后,通过水热法制备了Cu2O纳米空心微球,探讨了前驱液浓度、反应温度、反应时间、还原剂的量对Cu2O微球形貌的影响。当前驱液浓度为0.4mol?L-1、反应时间为4h、反应温度为140oC、还原剂的量为2.67ml时,形成直径约为600nm的纳米空心微球,微球分散性良好,直径均匀。复合后Cu2O/ZnO复合材料的形貌较好,Cu2O空心微球的表面附着着ZnO纳米颗粒,其光降解效率达到90%。

Keyword:

Cu2O微球 CuS颗粒 ZnO纳米棒 复合半导体 水热法

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 齐随涛

Year: 2016

Language: Chinese

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WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 3

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