氧化石墨烯/氧化锌基复合材料的制备及光催化性能研究

【摘要】：ZnO的带隙与Ti02相似,且成本低,无毒,是具有很好工业前景的半导体催化剂。然而,ZnO能带宽、光生电子-空穴对(e--h+)易复合,制约其实际应用。石墨烯是由单碳原子紧密堆积而成的二维单层或几层的纳米材料,其独特而优异的导电性能和巨大的比表面积,能阻止纳米催化的团聚、增加催化材料的比表面积,以及降低光生载流子的复合,提高纳米催化剂的催化效率。针对氧化石墨烯(GO)/ZnO催化剂复合过程中存在的问题,提高氧化石墨烯(GO)/ZnO复合材料的光催化性能,本论文提出了3种方案：(1)使用Na3C6H5O7为纳米颗粒控制剂,控制负载在石墨烯上的ZnO纳米颗粒大小,通过增加ZnO纳米颗粒的表面积达到提高性能的目的；(2)在能带结构工程的基础上,通过镁掺杂改变ZnO的能带结构,拓宽ZnO的光谱响应范围,提高GO/ZnO复合体的光催化活性：(3)利用窄带隙半导体Bi2O3的优异性能,构建Bi2O3-ZnO异质结提高载流子的分离率和拓宽光谱响应范围,获得高效GO/ZnO基可见光催化材料。主要研究结果如下：(1)以GO和Zn(CH3COO)2为原料,Na3C6H5O7为表面活性剂,通过共沉淀法制备GO/ZnO复合材料,使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等方法表征GO/ZnO复合材料的结构及形貌,并分析其光催化活性。实验结果表明,GO能均匀负载ZnO纳米颗粒,且能控制ZnO纳米颗粒的大小。Na3C6H5O7用量对ZnO纳米颗粒的大小有较大影响,当Na3C6H5O7含量为0.72 mmol时,GO负载的ZnO颗粒大小约为5 nm。光催化实验表明,石墨烯片上ZnO纳米颗粒大小和GO含量对GO/ZnO复合材料的光催化性能有较大影响。当ZnO颗粒大小为5nm,GO在复合材料中含量为0.51%时,获得样品催化性能最好,在紫外光下,复合材料120 min内能完全降解溶液中的甲基橙。(2)以GO、Zn(CH3COO)2和Mg(CH3COO)2为原料,C2H5OH为溶剂,C2H2O4为沉淀剂,使用共沉淀法制备了镁掺杂氧化锌／氧化石墨烯(GO/MgxZn1-xO)复合材料,利用XRD、X射线光电子能谱(XPS)、SEM和TEM等表征GO/MgxZn1-xO复合材料的结构及形貌,并分析了光催化性能。实验结果显示,GO能负载MgxZn1-xO纳米颗粒,镁掺杂改变了ZnO的能带,将ZnO的能带带隙从3.26 eV扩宽到3.44 eV。光催化结果得出,Mg掺杂能够提高ZnO的催化效率,但是Mg含量变化对GO/MgxZn1-xO的催化活性影响不大,当GO含量为1.86%,温度为600℃时,获得的复合材料光催化性能最好,在60 min内能将甲基橙染料完全降解。(3)以Bi(NO3)3为原料,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂,采用水热法制备GO/ZnO-Bi2O3异质结(GO/ZnO-Bi2O3)复合催化剂,利用XRD、SEM和TEM等检测了GO/ZnO-Bi2O3异质结复合催化剂的结构及形貌,并分析其光催化性能。实验结果显示,ZnO和Bi203形成异质结结构,并以GO为基体形成纳米片层状结构。光谱实验表明,复合Bi203能使GO/ZnO复合粉体的吸收边带红移,向可见光区移动。光催化实验得出,当Bi203质量分数为45.9%,GO质量分数为5.4%,pH值为5,温度为110℃反应6 h时,获得的样品具有最强的吸附性能和光催化降解能力。30 min能吸附罗丹明B溶液74.62%,紫外光下,GO/ZnO-Bi2O3在30 min内能将罗丹明B完全降解；可见光下,GO/ZnO-Bi2O3在100min内能降解90%罗丹明B溶液。
【关键词】：氧化石墨烯 掺杂氧化锌 纳米片 异质结 光催化性能
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB33