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金属氧化物(TiO_2,CuO)多级微纳结构的制备与光催化性能研究

李玥  
【摘要】:废水中的有机污染物严重危害环境安全和人类健康,因此,降解水中的有机污染物迫在眉睫。金属氧化物中因催化性能好、经济效益高等优势,在光催化降解废水中有机污染物领域成为研究热点。但是在传统的污水处理工业中,金属氧化物型催化剂主要以颗粒的形式分散在污水中,存在难以回收,容易造成二次污染的问题。另外,大部分金属氧化物都存在吸收光谱范围窄,太阳光利用效率低的问题,因此,如何制备具有稳定结构,高光催化效率和高的太阳光利用率的金属氧化物型光催化剂是亟待解决的难题。为此,我们选择廉价易得且利于规模化生产的金属氧化物二氧化钛(TiO_2)和氧化铜(CuO)作为研究对象,开发能够有效降解水中有机污染物的稳定高效太阳光催化剂。具体的研究内容如下:(1)我们利用飞秒激光加工钛金属表面,通过控制激光加工功率、加工速率这两个参数制备网格状微纳米级结构作为基底;然后利用水热反应,通过控制反应时间和Na OH浓度制备出花状微纳米TiO_2;最后复合Ag纳米颗粒形成Ag-TiO_2微纳米复合结构。该复合结构可以吸收可见光,其波长响应扩展到可见光区域,从而提高在可见光下的催化性能,催化效果可提高3倍。(2)我们同样利用飞秒激光加工金属铜表面,通过控制激光加工功率和加工速率制备规则的微纳米级CuO结构作为基底;然后采用热处理方法在具有微纳米级结构的CuO基底上制备出CuO纳米线;最后利用水热反应制备Zn O,同时实现与CuO的复合,形成Zn O/CuO微纳米级复合结构。Zn O/CuO复合材料呈现出球状与小棒状共存的形貌,Zn O/CuO复合材料在400-800 nm之间表现出宽的紫外-可见光吸收,在可见光下具有良好的催化性能。本论文所提出的基于体材料经飞秒激光直接加工的方法所制备的微纳米结构具有良好的机械稳定性、高比表面积,该结构可以有效解决传统粉体TiO_2、CuO的分散性高、二次污染、难回收等问题;与不同带宽物质相结合制备的微纳米复合结构,可以实现在可见光下良好的催化效果,为大规模快速生产提供了新思路。这种直接在金属表面制备金属氧化物的方法与第二种材料引入调节能带的方法可以推广到其他的金属体系,有望用来制备具有其他特殊功能的表面。


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