纳米ZnO粉体的制备及其光催化性能研究

论文摘要

本文分别对高分子网络法、溶胶-凝胶法和均匀沉淀法合成纳米氧化锌粉体进行了详细地研究,并研究了离子掺杂对纳米氧化锌粒径、形貌及其光催化性能的影响,分别采用X射线衍射仪、透射电镜、和紫外分光光度计进行了表征。实验结果明,采用高分子网络凝胶法、溶胶-凝胶法、均匀沉淀法均能获得结晶良好、纯度高的六方晶系红锌矿型纳米ZnO粉体。但由于工艺条件的限制,这些方法各有其优缺点,高分子网络法制备纳米ZnO的周期比较短（时间为15h左右）,但是该方法所用的有机试剂较多,成本较高,而且对反应设备的要求非常严格,实验可重复性差,不易实现工业化。溶胶-凝胶法制备纳米ZnO,虽然原料的成本的低,但是凝胶干燥困难,制备周期很长（时间为38h左右）,而且凝胶很容易粘在器壁上难于取出,给后续的处理带来很多不便,亦不易实现工业化生产。均匀沉淀法制备纳米ZnO,工艺相对比较简单,制备周期也比较短（时间为11h左右）,但是所制备的粉体粒径分布较宽,团聚比较严重。采用高分子网络凝胶法制备的纳米ZnO粒子平均晶粒尺寸在20～60nm范围内。综合衍射峰形态、半高宽、晶粒度、节能考虑,高分子网络法制备纳米ZnO过程中的优化工艺条件为:单体和网络剂比例为5:1、Zn2+浓度为0.35mol/L、引发剂与单体双键的比例为1:20（摩尔比）、溶液pH值的范围在5～6、反应温度80℃、反应时间2h、干燥温度100℃、干燥时间4h、热处理度为650℃。采用溶胶-凝胶法在热处理温度为550℃热处理1h时制备的纯纳米ZnO的平均晶粒度最小为28.33nm。随热处理温度的升高,纳米ZnO的平均晶粒尺寸呈现出先减小后增大的趋势,而平均结晶度则呈现出相反的趋势。La3+的掺入可抑制ZnO晶核的生长,当La3+掺入量为0.2%时,纳米ZnO粒子的晶粒尺寸达到最小,为21.27nm。随着La3+掺入量继续增加,晶粒尺寸长大。采用均匀沉淀法制备的纯相纳米ZnO粉体和Bi3+掺杂纳米ZnO粉体均为六方晶系红锌矿结构,掺杂并未改变ZnO的晶系结构,但对其晶粒形貌产生了影响,除了球状形貌外,还产生了大量棒状结构,长度在30～200nm不等。纳米ZnO的光催化性能研究结果表明:La3+离子的掺杂对纳米ZnO粉末的光催化效果有明显的改善,随着La3+离子掺入量的增加,纳米ZnO的光催化活性呈现先升后降的趋势。当La3+掺杂摩尔比为0.2%时,降解率最高,光照时间15min降解率可达68.31%。而Bi3+离子的掺杂降低了纳米ZnO的光催化活性,光照80minMB的降解率已由68.26%降低到10.02%,但随着Bi3+掺杂量的增加,其光催化活性有所改善,当掺杂量达到3%时,光催化降解率又升高到46.98%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的及意义
• 1.2 纳米ZnO的国内外研究现状及其未来发展趋势
• 1.2.1 纳米ZnO粉体的制备方法
• 1.2.2 纳米ZnO粉体的应用
• 1.2.3 纳米ZnO的未来发展趋势
• 1.3 纳米ZnO的晶体结构及基本特征
• 1.4 本课题所采用的测试方法
• 1.4.1 差热-热重分析（TG-DTA）
• 1.4.2 X射线衍射分析及衍射宽化法测粒径
• 1.4.3 透射电子显微分析（TEM）
• 1.4.4 EDTA含量分析
• 1.4.5 分散性分析
• 1.4.6 光催化性能分析
• 1.5 本课题的研究目标及主要内容
• 1.5.1 本课题研究的目标
• 1.5.2 本课题研究的主要内容
• 第2章 高分子网络凝胶法制备纳米ZnO粉体及其分散性研究
• 2.1 高分子网络法及粉体分散性概述
• 2.1.1 高分子网络凝胶法的基本原理
• 2.1.2 PEG改性纳米ZnO的基本原理
• 2.2 样品制备
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 纳米ZnO的制备
• 2.3 结果分析与讨论
• 2.3.1 TG-DTA分析
• 2.3.2 X射线衍射分析
• 2.3.3 透射电子显微（TEM）分析
• 2.3.4 纳米ZnO的分散性研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 溶胶-凝胶法制备掺杂纳米ZnO粉体的研究
• 3.1 溶胶-凝胶法的基本工艺原理
• 3.2 样品制备
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 纯相纳米ZnO的制备工艺
• 3.2.4 掺杂纳米ZnO的制备工艺
• 3.3 结果分析与讨论
• 3.3.1 差热-热重分析（DTA-TG）
• 3.3.2 X射线衍射分析
• 3.3.3 透射电子显微分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 均匀沉淀法制备掺杂纳米ZnO粉体及其形貌分析
• 4.1 均匀沉淀法基本原理
• 4.2 样品制备
• 4.2.1 实验药品
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 纯相纳米ZnO粉体的制备工艺
• 4.2.4 掺杂纳米ZnO粉体的制备工艺
• 4.3 结果分析与讨论
• 4.3.1 差热-热重（DTA-TG）分析
• 4.3.2 X射线衍射分析
• 4.3.3 透射电子显微分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 3种制备纳米ZnO方法的比较及其光催化性能分析
• 5.1 3种制备纳米ZnO粉体方法的比较
• 5.2 纳米ZnO的光催化性能分析
• 5.2.1 纳米ZnO光催化机理概述
• 5.2.2 光催化实验
• 3+离子掺杂对纳米ZnO光催化性能的影响'>5.2.3 La³⁺离子掺杂对纳米ZnO光催化性能的影响
• 3+离子掺杂对纳米ZnO光催化性能的影响'>5.2.4 Bi³⁺离子掺杂对纳米ZnO光催化性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 全文结论及展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 本文创新点
• 6.3 进一步开展研究工作的思路
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参研项目