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有序多孔氧化锌石墨烯复合膜制备及性能研究

赵振兵  
【摘要】:纳米氧化锌(ZnO)由于其独特的性能,在光催化和太阳能电池领域应用前景广阔。但是,较低的量子产率和光能利用率使纳米ZnO的光催化活性不高,这限制了其高效的应用。此外,无法高效低能分离回收光催化后的ZnO,也是一个亟需解决的问题。针对上述两种问题,本论文利用石墨烯修饰改性纳米ZnO薄膜,并提出以玻璃基片为固定纳米ZnO的载体,得到固化的有序多孔ZnO薄膜及其复合膜,对其光学性能、光催化活性及使用寿命进行研究。以玻璃基片为固定载体,本研究通过浸渍提拉法制备了纳米ZnO薄膜,解决了纳米ZnO易流失、不易回收的问题。用扫描电镜(SEM)、X衍射射线(XRD)等手段对薄膜进行表征,考察其光学性能和光催化活性。结果表明,纳米ZnO平铺在玻璃基板上,晶型为六方纤锌矿结构,尺寸为13.6nm;在500W汞灯下,60min纳米ZnO薄膜光催化降解水溶液中亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)的效率分别为87.3%和54.2%;另外,随甲基橙溶液浓度的增大,ZnO薄膜对甲基橙的降解率呈先增大后减小的趋势,当浓度为3mg/L时,甲基橙的降解率达到最大(92.8%);使用寿命测试表明,90min回收的纳米ZnO薄膜对甲基橙降解率在70%以上,光催化效果良好。为提高纳米ZnO薄膜的光催化活性,以聚苯乙烯(Polystyrene)为模板,通过浸渍提拉法得到有序多孔ZnO薄膜,考察该薄膜光学性能及光催化活性。与纳米ZnO薄膜相比,多孔ZnO薄膜的多孔结构增大了膜的比表面积,并加快甲基橙在材料内部传递,反应活性位增多使催化活性增高;也增强了光吸收强度。500W汞灯下、90mmin有序多孔ZnO薄膜对甲基橙的降解率为94.7%,较纳米ZnO薄膜80.2%的降解率有所提高。为进一步提高纳米ZnO薄膜的光催化活性,利用石墨烯改性纳米ZnO薄膜,制备了ZnO-石墨烯复合膜和有序多孔ZnO-石墨烯复合膜,用XRD等手段对复合膜进行表征,考察复合膜的光学性能、光催化活性和使用寿命。石墨烯的引入使ZnO光吸收强度上升,并且将光谱响应范围拓展到可见光区,对ZnO晶型的六方纤锌矿结构未产生影响;在500W汞灯下,90mmin内石墨烯修饰的ZnO有序多孔复合膜降解甲基橙的效率最高(99.7%),致密复合膜次之(93.5%),纳米ZnO薄膜最低(80.2%):此外,随氧化石墨烯溶胶浓度的增加,由于石墨烯负载量不同,ZnO-石墨烯复合膜对甲基橙的降解率呈先增大后减小的趋势。使用寿命测试表明,90min内回收的ZnO-石墨烯复合膜降解甲基橙的效率均在90%以上,优于ZnO薄膜70%的效率,光催化活性良好。


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