高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備納米ZnO及結(jié)構(gòu)與光催化性能的研究.pdf

1、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,使得環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,水體污染尤為突出。在環(huán)境保護(hù)和治理方面常用的污染物處理方法有:物理吸附法、化學(xué)氧化法、微生物處理法、高溫焚燒法及光催化技術(shù)。在眾多處理方法中,半導(dǎo)體光催化降解有機(jī)污染物的方法,具有節(jié)能(可利用自然光)、高效、適合范圍廣及無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn),成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。氧化鋅是一種良好的光催化材料,可用于環(huán)境中的生物降解,水處理、光觸媒殺菌等。
　　 本文采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備了Ce3+、Pr3+、Gd3

2、+和Ho3+四種稀土單摻雜及Ce-Ho及Pr-Gd復(fù)合共摻雜納米ZnO粉體,采用XRD、TEM、紫外分光光度計(jì)及UV-Vis等先進(jìn)測(cè)試手段對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了表征,研究了不同稀土摻雜離子對(duì)納米ZnO粒徑、形貌及其光催化性能的影響。
　　 采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),優(yōu)選出光催化環(huán)境為樣品的投入量為0.3g/50ml、MB溶液的初始濃度為10mg/L以及MB溶液的pH值為6.5。Ce摻雜樣品的光催化活性隨著Ce3+摻入量的增加,呈現(xiàn)先上

3、升后下降的趨勢(shì),在摻雜量為0.18mol％的時(shí)候催化活性最高。經(jīng)過(guò)線性擬合后,樣品C0～C10的光催化降解過(guò)程均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,線性相關(guān)度均比較高;光催化降解性能較好的樣品的動(dòng)力常數(shù)較大,反之亦然。C6的光催化活性最高,則其動(dòng)力學(xué)常數(shù)最大,為11.1×10-3min-1。XRD測(cè)試結(jié)果顯示:制備的摻雜樣品仍然均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)度良好,均在90%左右。Ce摻雜樣品有明顯的紅移,紅移大約40nm,C2紅移量最大,約為47nm。通過(guò)

4、TEM分析可知,摻雜Ce后,樣品仍為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),晶粒大小約為80nm左右,平行晶面之間的條紋寬度為0.232nm。Ce摻雜樣品在紫外光下光催化活性的提高的機(jī)理是因?yàn)镃e能夠部分進(jìn)去ZnO晶格中,導(dǎo)致電荷不平衡,并可以在樣品中引入雜質(zhì)能級(jí)提高樣品的光催化性能并拓寬樣品的吸收光譜。
　　 稀土Pr3+的摻雜能顯著改善納米ZnO粉末的光催化效果,隨著Pr3+摻入量的增加,納米ZnO的光催化活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),Pr3+的最佳

5、摻量為0.06mol%。動(dòng)力學(xué)分析表明樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的降解過(guò)程大致符合動(dòng)力學(xué)方程,樣品P5的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為10.22×10-3min-1。XRD結(jié)果顯示,制得的Pr3+摻雜納米ZnO粉末樣品均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),結(jié)晶度良好,P5的平均粒徑為44.89nm,稀土Pr3+的摻雜并未引起ZnO晶系結(jié)構(gòu)的改變,稀土的摻雜引起晶格畸變,使晶粒尺寸發(fā)生變化。TEM結(jié)果顯示,Pr3+摻雜納米ZnO樣品P5的微觀晶粒形貌均為球形顆粒狀六方纖鋅礦,晶

6、粒尺寸約為40-50nm,,與XRD分析結(jié)果相符。稀土Pr的摻雜使納米ZnO出現(xiàn)不同程度的紅移,禁帶寬度有不同程度的減小。Pr摻雜樣品在紫外光下光催化活性的提高的機(jī)理是因?yàn)镻r能夠部分進(jìn)去ZnO晶格中,導(dǎo)致電荷不平衡,并可以在樣品中引入雜質(zhì)能級(jí)提高樣品的光催化性能并拓寬樣品的吸收光譜。
　　 稀土Gd3+的摻雜能顯著改善納米ZnO粉末的光催化效果,隨著Gd3+摻入量的增加,納米ZnO的光催化活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),Gd3+的

7、最佳摻量為0.09mol%,4h降解率達(dá)到92.68%。動(dòng)力學(xué)分析表明樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的降解過(guò)程大致符合動(dòng)力學(xué)方程,樣品G4的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)最大為10.99×10-3min-1。XRD結(jié)果顯示,制得的Gd3+摻雜納米ZnO粉末樣品為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),結(jié)晶度良好,稀土的摻雜引起晶格畸變,使晶粒尺寸發(fā)生變化。TEM結(jié)果顯示,Gd3+摻雜納米ZnO樣品G4的微觀晶粒形貌均為六方纖鋅礦球形,晶粒尺寸約為50～60nm。稀土Gd的摻雜使納米ZnO出現(xiàn)

8、不同程度的紅移,樣品禁帶寬度縮小,利于吸收較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光進(jìn)行光催化。紅外分析光譜顯示,制備的Gd摻雜樣品改變了Zn-O振動(dòng)頻率的特征位置,使其由490cm-1和415cm-1藍(lán)移到500cm-1。Gd摻雜樣品在紫外光下光催化活性的提高的機(jī)理是因?yàn)镚d能夠部分進(jìn)去ZnO晶格中,導(dǎo)致電荷不平衡,并可以在樣品中引入雜質(zhì)能級(jí)提高樣品的光催化性能并拓寬樣品的吸收光譜。
　　 稀土Ho3+摻雜能顯著改善納米ZnO粉末的光催化效果,隨著Ho3+

9、摻入量的增加,納米ZnO的光催化活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在摻雜量為0.12mol%時(shí)催化活性最高,在4h時(shí)的光催化降解率達(dá)到了91.22%。經(jīng)過(guò)線性擬合后,樣品H0～H9的光催化降解過(guò)程均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,線性相關(guān)度均比較高;H5的動(dòng)力學(xué)常數(shù)最大,為9.9×10-3min-1。XRD測(cè)試結(jié)果表明,摻雜樣品為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),結(jié)晶度良好且摻雜使的顆粒減小。UV-Vis顯示,Ho發(fā)生稍微的藍(lán)移,藍(lán)移不明顯,禁帶寬度增大不多。TEM分析顯

10、示,摻雜Ho后,樣品仍為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),晶粒大小約為80nm左右,平行晶面之間的條紋寬度為0.267nm。Ho摻雜樣品在紫外光下光催化活性的提高的機(jī)理是因?yàn)镠o能夠部分進(jìn)去ZnO晶格中,導(dǎo)致電荷不平衡,并可以在樣品中引入雜質(zhì)能級(jí)提高樣品的光催化性能。
　　 稀土共摻雜可以顯著改善納米ZnO粉末的光催化效果,隨著時(shí)間的增加而加大,動(dòng)力學(xué)分析表明樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的降解過(guò)程大致符合動(dòng)力學(xué)方程,樣品CH、PG的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為10.7