纳米ZnO/SnO_2复合氧化物光催化剂的合成、表征及其光催化降解有机污染物的初步研究

【摘要】： 环境污染问题是当今世界的主要问题之一。在工业和家用废水中常常发现有机污染物。这些有机物在被排放到环境中之前，须先加以破坏或清除。地下水和水源水也常常发现一些有机污染物。要使受到污染的地下水和水源水合乎饮用水标准，也须做必要的处理。公众对环境污染问题与日俱增的关心，推动了环境治理新方法的诞生和发展，光催化就是日益受到关注的新兴环境治理方法之一。 将受激半导体用于降解水和空气中的有机污染物，不仅在理论上已经做过充分的研究，在实践上也被成功地用来处理过大量的化合物。在实验室和实际应用研究中发现，能够被光催化过程破坏的有机物有：醇、羧酸、胺、除草剂、醛等。光催化能够使有害有机物发生矿化作用生成二氧化碳、水和简单的矿物酸。因此，与现有的技术相比，光催化过程的主要优点之一是不需二次处理。 光催化过程的另一个优点是，与使用过氧化氢和臭氧等氧化剂的其他高级氧化技术相比，光催化过程不需要使用昂贵的氧化剂，因为空气中的氧就是它要使用的氧化剂。光催化剂还可以再生和循环利用。 还可以利用太阳光引发的光催化过程来破坏某些有机污染物。这种情况下，光催化过程的运行成本很低。 理想的光催化剂应当稳定性好，价格低廉，无毒性，高活性且能充分吸收太阳光。 近年来，很多研究的焦点都放在二元或三元复合氧化物上，希望找到电荷分离效率高，光响应的范围宽，因而光催化效率高且能充分吸收利用太阳光的光催化剂。 本论文继续沿着这个方向做积极的探索，并发现了一些有趣和有益的成果。 本论文主要包括4部分： 1．简要介绍了光催化剂的光催化活性原理。对光催化剂的改性，包括金属离子掺杂、表面敏化、粘土交联和复合氧化物半导体等的近期进展，做了简要的介绍。对纳米光催化剂的基本原理、基本性质以及近期进展，也做了简要的介绍。 2．采用共沉淀法合成纳米Zn_2SnO_4。研究了纳米Zn_2SnO_4的合成条件及其烧结过程和机理。用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、差热和热失重分析(TG-DTA)和比表面积(BET)对Zn_2SnO_4做了表征。求出纳米Zn_2SnO_4的晶粒生长活化能为337.9kJ／mol。建立了Zn_2SnO_4的晶粒生长方程为：D~(4.78)=9.12×10~(23)texp(-40.6×10~3／T) 用纳米Zn_2SnO_4作光催化剂降解水溶液中的毒害有机物苯。研究表明：Zn_2SnO_4对苯有光催化活性，且Zn_2SnO_4的光催化活性与其粒子尺寸有关，这可用比表面积和尺寸量子理论予以解释。 3．采用共沉淀法合成了摩尔比为2:1(Z_2S_1)和1:1(Z_1S_1)的ZnO／SnO_2复合氧化物。用X射线衍射(XRD)、UV-Vis漫反射光谱和比表面积(BET)对Z_2S_1、Z_1S_1做了表征。用甲基橙(MO)作模型有机物对它们的光催化活性做了评估。研究了MO在Z_2S_1表面上的等温吸附行为。研究了热处理条件对Z_2S_1 的光催化活性的影响。也研究了pH值、反应悬浮液中的电解质如NaCI、KNO。 和K多O4对ZZ民的光催化活性的影响。通过UV－VS漫反射光谱求得乙S；、ZS；、 ZnO、SnO。的禁带宽度（带隙能）分别为3．15、3．12、3．17和二．53eV。等温吸 附线是一个T台阶曲线。ZZS；对 MO的光催化降解速率分别比 Z6和 ZnO快 40．2％和 66．l％。提出一个电荷分离和光催化活性的原理示意图并用之对 民和 乙S；的光催化活性做了合理的解释。 4．采用共沉淀法，通过调节不同的烧结温度，合成了不同Sn含量的纳米 ZnO／SnO。复合氧化物。用X射线衍射（io＼UV－VIS漫反射光谱和比表面积 （BET）对它们做了表征。发现：高温有利于形成较大晶粒尺寸的 ZnO侣nO。复 合氧化物，较高的Sn含量有利于得到较大比表面积的ZnO用nO。复合氧化物。 根据UV－Vis漫反射光谱计算出了不同Sn含量和不同烧结温度下的ZnO侣nO。 复合氧化物的带隙能。发现带隙能随着Sn含量和烧结温度而变化。此外，用甲 基橙（MO）作模型有机物，对 ZnO沼nO。复合氧化物的光催化活性做了评估。 发现：含有33．3％的Sn和在700＊下烧结10h的ZnO侣nO。复合氧化物，表现 出最大的光催化活性。