纳米ZnO的制备及其抗菌性能研究

论文摘要

纳米ZnO以其优良的光催化性能成为光催化型无机抗菌剂家族中的重要一员。然而,未经修饰的纳米ZnO普遍存在量子效率偏低,光催化性能较弱,抗菌性能不强等缺点。针对上述问题,本研究采用现代纳米材料制备技术,通过对纳米ZnO进行Sb与Mg两种离子的掺杂来提高材料的光催化活性,并对纳米粉体的抗菌活性及机理进行深入研究。此外,对掺杂纳米ZnO的光催化降解有机染料性能进行考察,同时对降解机理进行探讨。采用‘非水相控制pH离子交换除氯的沉淀—缩聚法’合成制备纳米材料,通过离子交换树脂交换除氯,同时提供反应所必需的OH-,加速了Zn、Sb（或Mg）的水解,缩短了制备周期。非水相制备环境阻止了水分引起的聚合反应,降低了产物的缩聚度。在该条件下,金属氢氧化物发生分子间的脱水直接生成相应的金属氧化物品体。经XRD与TEM分析,掺杂纳米ZnO在较低浓度掺杂时,其晶格结构仍保持ZnO的六方形晶体结构,但随着掺杂浓度的增加形成了新的晶体结构。当Zn/Sb摩尔比达到5/1时,超出了ZnO固溶体的掺杂界限,ZnO的六方形晶格结构则不复存在。干燥是溶液化学法制备纳米微粉过程中的关键步骤之一。选用乙酸异戊酯作为共沸干燥剂,其带有的极性基团（羰基）能够替代水分子与微粒表面的极性基团之间形成较弱的吸附作用,利用分子上的两条烷烃链延伸在微粒表面覆盖更大的表面积,有效地阻止了微粒间的直接接触,形成较大的团聚,提高了制备过程中纳米材料粒径的可控性。此外,乙酸异戊酯较高的沸点（142℃）也提高了共沸蒸馏除水的效率。研究了光照条件与无光照条件下不同纳米材料的抗菌性能,结果表明:光照是纳米ZnO发挥抗菌性能的充分条件。光照条件下,掺杂纳米ZnO的抗菌性能远远高于未掺杂纳米ZnO,其中Sb掺杂纳米ZnO的抗菌性能优于Mg掺杂纳米ZnO。以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、酵母菌及黑曲霉为受试菌株考察了不同纳米粉体的抗菌性能,发现掺杂比例为10/1的纳米粉体抗菌性能最好。然而,掺杂比例过高,达到5/1时,材料的抗菌性能降低。抗菌效果的好坏除与纳米材料的光催化性能有关外,还与受试菌株的细胞壁结构及成份有关。采用自制光催化反应器,以甲基红为降解底物,确定了光催化降解的最佳条件为紫外光照兼通气。通过对甲基红的光催化降解实验发现,Sb3+与Mg2+掺杂能够显著提高ZnO粒子的光催化活性,最佳掺杂摩尔比例Zn╱Sb与Zn/Mg均为10/1,并就Sb3+与Mg2+掺杂改善纳米ZnO光催化性能的机制进行讨论。同时通过对降解过程的跟踪,对甲基红降解机理进行了初步探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO概况
• 1.1.1 ZnO的基本结构
• 1.1.2 纳米ZnO的性能和主要用途
• 1.2 光催化型抗菌剂及影响其抗菌性能的条件
• 1.3 提高光催化型抗菌剂量子效率的途径
• 1.4 ZnO纳米材料的制备方法
• 1.4.1 纳米ZnO的制备方法
• 1.4.2 本研究采用的方法
• 1.4.3 纳米微粉的干燥与回收
• 1.5 研究内容
• 1.6 研究的创新性
• 第二章 纳米ZnO的制备
• 2.1 前言
• 2.2 试验部分
• 2.2.1 阴离子交换树脂的处理
• 2.2.2 溶液的配制
• 2.2.3 水解反应试验
• 2.2.4 沉淀胶体稳定性的观测
• 2.2.5 相对粘度的测定
• 2.2.6 水解产物纯度分析
• 2.3 结果与讨论
• 2、SbCl₃及MgCl₂的水解反应'>2.3.1 阴离子树脂交换条件下ZnCl₂、SbCl₃及MgCl₂的水解反应
• 2.3.2 水解产物纯度分析
• 2.3.3 水解过程中产物的缩聚反应
• 2.4 本章小结
• 第三章 纳米微粉的干燥与表征
• 3.1 前言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 有机溶剂的共沸脱水试验
• 3.2.3 X射线衍射（XRD）分析
• 3.2.4 透射电子显微镜（TEM）观察
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Sb掺杂纳米ZnO粉体表征
• 3.3.2 Mg掺杂纳米ZnO粉体表征
• 3.4 本章小结
• 第四章 纳米粉体抗菌性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 光照条件与无光照条件下纳米粉体抗菌性能检测
• 4.2.2 杀菌试验
• 4.2.3 最低杀菌浓度MBC的测定
• 4.2.4 抑菌试验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 光照对纳米粉体杀菌性能的影响
• 4.3.2 杀生性能检测
• 4.3.3 最低杀菌浓度MBC
• 4.3.4 抑菌性能检测
• 4.3.5 抗菌机理探讨
• 4.4 本章小结
• 第五章 纳米ZnO光催化降解有机染料的研究
• 5.1 前言
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 催化降解底物的性质
• 5.2.2 纳米粉体光催化活性评价
• 5.2.3 光催化反应体系物质变化观测
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 光催化反应条件的确定
• 5.3.2 掺杂纳米氧化锌光催化性能的研究
• 5.3.3 有机染料降解机理探讨
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 结论
• 展望
• 附录
• 附录A 氯离子的检验方法
• 附录B 反应过程中Cl-含量的测定（定量测定）
• 附录C 培养基配方
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢