ZnO/Ag纳米复合材料的金属、非金属掺杂及其光催化性能研究

【摘要】： 本文研究了ZnO/Ag纳米复合材料的金属掺杂和非金属掺杂工艺及其掺杂后的光催化性能。研制出光催化性能较好的铁掺杂ZnO/Ag、镉掺杂ZnO/Ag、氮掺杂ZnO/Ag纳米复合材料。 1.以Zn(SO4)2、NH4HCO3、AgNO3、Fe2(SO4)3等为原料,采用两步液相沉淀法对ZnO/Ag纳米复合材料进行过渡金属铁掺杂。考察铁的掺杂比和掺铁反应物浓度对ZnO/Ag纳米复合材料光催化性能的影响规律。采用TEM、XRD等测试方法对铁掺杂ZnO/Ag纳米复合材料的微观形貌和物相结构进行表征。通过观察甲基橙溶液宏观颜色变化及采用UV-vis对铁掺杂ZnO/Ag纳米复合材料光催化降解甲基橙溶液的结果进行表征。 结果表明:铁掺杂可以改善ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能。铁掺杂ZnO/Ag纳米复合材料粒径较小、分散好、团聚程度小。掺铁反应物浓度为0.134 mol?L-1、铁的掺杂比为5 %时甲基橙的降解速率最高,3 h后对甲基橙溶液的降解率达到97.2 %。 2.以Zn(NO3)2、(NH4)2CO3、AgNO3、Cd(NO3)2、NH3·H2O等为原料,采用配位均匀共沉淀法对ZnO/Ag纳米复合材料进行过渡金属镉掺杂。考察镉的掺杂比和掺镉反应物浓度对ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能的影响规律。采用TEM、XRD、FT-IR、ICP等测试方法对掺杂材料的微观形貌、物相结构、组成、组分含量进行表征。通过观察甲基橙溶液宏观颜色变化及采用UV-vis对镉掺杂ZnO/Ag纳米复合材料光催化降解甲基橙溶液的结果进行表征。 结果表明:镉掺杂可以改善ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能。镉掺杂ZnO/Ag纳米复合材料分散性较好,粒径在20 nm左右。掺镉反应物浓度0.084 mol?L-1、掺杂比1:12时镉掺杂ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能最好,3 h后对甲基橙溶液的降解率达到97.9 %,此组掺杂材料中Cd、Zn、Ag的质量比为5:33:3。 3.以Zn(SO4)2、NH4HCO3、AgNO3、N2、H2等为原料,采用等离子法对ZnO/Ag纳米复合材料进行非金属氮掺杂。考察渗氮时间对ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能的影响规律。采用TEM、XRD、元素分析等测试方法对掺杂材料的微观形貌、物相结构、氮含量进行表征。通过观察甲基橙溶液的宏观颜色变化及采用UV-vis对氮掺杂ZnO/Ag纳米复合材料光催化降解甲基橙溶液的结果进行表征。 结果表明:等离子法氮掺杂可以明显改善ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能。氮掺杂ZnO/Ag纳米复合材料分散性较好,粒径在20 nm左右。渗氮时间30 min对应的氮掺杂ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能最好。2h后对甲基橙溶液的降解率达到99.7 %。 4.以Zn(SO4)2、NH4HCO3、AgNO3、C3N3H6等为原料,用气相法对ZnO/Ag纳米复合材料进行非金属氮掺杂。通过正交实验考察渗氮温度、掺杂比、保温时间对ZnO/Ag纳米复合材料光催化性能的影响规律。采用TEM、XRD、ICP、元素分析等测试方法对掺杂材料的微观形貌、物相结构、氮含量进行表征。通过观察甲基橙溶液宏观颜色变化及采用UV-vis对氮掺杂ZnO/Ag纳米复合材料光催化降解甲基橙溶液的结果进行表征。 结果表明:气相法氮掺杂可以明显改善ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能。氮掺杂ZnO/Ag纳米复合材料分散性较好,粒径在20 nm左右。渗氮温度、掺杂比和保温时间均对ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能有影响,其中掺杂比对ZnO/Ag纳米复合材料的光催化性能影响最大。降解30 min后,渗氮温度380℃、掺杂比1、保温时间2.5 h的氮掺杂ZnO/Ag纳米复合材料对甲基橙溶液的降解率达到94 %,此组纳米复合材料中含氮量为2.564 %。