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《东北师范大学》 2018年
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PAN@PANI@ZnO柔性复合纳米纤维的制备及其光催化性质的研究

朱健  
【摘要】:半导体光催化作为一种绿色的水污染处理技术在节约能源和保护环境方面有着重要的应用前景。ZnO作为一种直接带隙半导体(带隙3.37 eV),具有良好的紫外光吸收性能和合适的能带结构,一直被认为是一种很好的光催化材料。但是通常情况下,ZnO纳米粉体材料作为光催化剂仍然面临着以下问题:第一,在液相光催化反应中容易团聚,减小比表面积,并且反应物悬浮在溶液中,不利于回收;第二,光生电子(e~-)和空穴(h~+)容易复合导致光催化性能下降。针对上述问题,本文通过静电纺丝、原位聚合以及原子层沉积(ALD)方法制备了柔性的ZnO基复合纳米纤维材料,以提高材料的光催化性能和使用性能。论文主要研究内容如下:(1)利用静电纺丝技术制备了聚丙烯晴(PAN)纳米纤维,以此为模板,通过ALD技术制备了PAN@ZnO柔性复合纳米纤维,实现了电纺PAN纳米纤维对ZnO纳米材料的有效固载。形貌和结构测试研究结果表明,ZnO被均匀的沉积到PAN纳米纤维表面形成核壳结构。光催化实验研究表明,随着ALD循环次数的增加,PAN@ZnO复合纳米纤维的光催化活性逐渐增强。PAN@ZnO复合纳米纤维不仅有利于阻止ZnO纳米粉体的团聚,由于其宏观的纤维网毡结构使得材料可以通过自沉降的方式进行回收利用,经过三次循环实验之后,仍然保持较好的光催化活性。(2)以电纺PAN纳米纤维为载体,通过原位聚合的方法制备了PAN@PANI复合纳米纤维;以此为模板,通过ALD技术制备了PAN@PANI@ZnO复合纳米纤维,形成了PAN@PANI@ZnO异质结复合纳米纤维,实现了对ZnO/PANI异质结的固载化。通过改变原位聚合时间和ALD循环次数来改变ZnO/PANI异质结的相对含量。由于ZnO/PANI异质结的存在,能够有效的促进e~-和h~+的分离,因此PAN@PANI@ZnO复合纳米纤维相比于PAN@Zn O和PAN@PANI纳米纤维,光催化活性提高了2.1倍左右。光电流测试研究表明,PAN@PANI@ZnO复合纳米纤维表现出最大的光电流密度,进一步证明了该异质结体系能够更有效的分离电荷。捕获实验研究表明,在光催化反应过程中,h~+、e~-、羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O_2~-)四种活性物种都不同程度的参与了光催化反应,其中e~-起了最主要的作用。由于复合纳米纤维的宏观网毡结构和柔性性能,可以很容易通过自沉降过程进行回收,经过五次循环实验之后仍表现出稳定的光催化活性。
【学位授予单位】:东北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ342.94;O643.36

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