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ZnO/石墨烯复合材料的制备及其光催化性能

武怀娣  
【摘要】:现如今,逐渐增长的人口和工业发展造成越来越严重的地下和地表水污染。其中,纺织工业和食品加工业使用的有机染料是造成水污染的主要原因,因为其很难进行生物降解,对水生植物具有很强的毒性,以及对人体有很强的致癌性。为了降低有机染料对环境和人类造成的危害,用光催化剂降解空气中、水中的有机染料或者将他们转化为危害小的化学物质已经引起越来越广泛的关注。光催化效率提高的主要障碍就是光生电子的快速复合。光生电子的复合速度远远超过氧化还原反应速率,大大降低了光催化效率。因此,为了提高光催化效率,最主要的就是降低光生电子复合速率。 纳米氧化锌(ZnO)由于其光化学性能稳定,无毒,在自然界中存在广泛而越来越引起科学家的关注。为了提高其光催化活性,各种不同离子掺入到氧化锌中以抑制其光生电子和空穴复合。另外一种解决光生电子复合的方法是研究不同的复合材料,例如ZnO/CeO_2,ZnO/高岭土, Cu_2O/ZnO,SnO_2/ZnO/TiO_2, ZnO/氧化石墨烯(GO)。石墨烯是一种零带隙的半导体材料,具有特殊的输运特性和极高的载流子迁移率。考虑到氧化石墨烯和氧化锌各自的优越特征,GO和ZnO复合纳米材料也表现出其优良的光催化性能。本文主要研究内容如下:(1)以天然石墨粉作为原料,利用Hummers方法制备氧化石墨烯,并用超声波超声剥离为氧化石墨烯。通过TEM,XRD等方法系统考试氧化石墨烯的结构特点。(2)氧化石墨烯, Zn(CH_3COO)_2·2H_20、氨水为原料,利用水热合成法制备了ZnO/氧化石墨烯复合物。借助紫外光辅助照射增强复合物中氧化石墨烯的还原。以亚甲基蓝为模型污染物,考察了原料中氧化石墨烯用量比,水热合成温度和时间以及紫外光辅助照射时间对ZnO/氧化石墨烯复合物光催化降解性能的影响。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外可见光等方法对部分复合物样品进行了表征。(3)通过水热法合成ZnO/Cu_2O/GO纳米复合材料,通过X射线衍射(XRD)、透射电镜、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和紫外可见光等方法对ZnO/Cu_2O/GO纳米复合材料进行表征。通过XRD图谱, SEM和TEM图像可以看出纳米ZnO呈六方晶型结构。ZnO/Cu_2O纳米颗粒长在GO表层。通过降解靛蓝胭脂红考察其光催化性能,结果显示Cu_2O对增强光催化讲解效率具有重要作用。当Zn/Cu原子比为5/2,水热法120℃反应20h,500W高压汞灯照射下,ZnO/Cu_2O/GO纳米复合材料对靛蓝胭脂红的光催化降解率达到96.5%。同等条件下制备的ZnO/Cu_2O光催化降解率是77.5%, ZnO/GO光催化降解率是91.28%。


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