离子液体中光催化剂的制备、表征及性能的研究

论文摘要

光催化技术是从20世纪70年代逐步发展起来的一门新兴环保技术。该技术以半导体氧化物为催化剂，利用其在光照条件下吸收能量而受到激活，并以此来驱动氧化还原反应的进行，能够有效的催化氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味等，是一种理想的环境污染治理技术。ZnO是一种宽禁带直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，是一种常用的光催化剂。纳米材料由于颗粒尺寸细微化，因此能够表现出与体相材料不同的特殊性质，如表面效应、小尺寸效应、量子隧道效应等。这些性质使得ZnO纳米材料在很多领域得到广泛的应用。纳米ZnO的常用制备方法有溶胶-凝胶方法、共沉淀法、水热法、微乳液法、真空溅射等。离子液体是一种新型的绿色环保溶剂，在纳米材料合成中的应用引起越来越多研究者的关注。离子液体本身具有很多特殊的性质，利用离子液体合成纳米材料主要是由于离子液体具有低的表面张力，可以导致较高的成核率，产生细小的粒子，界面能低，易于形成有序结构。目前，采用离子液体制备纳米材料的研究还处于初级阶段。本文合成了实验所需的离子液体，并采用红外光谱对离子液体的结构进行表征。本文主要采用离子液体-溶剂热合成法，以离子液体为模板剂及表面活性剂，通过控制反应温度、离子液体用量、酸碱度等实验条件合成了不同粒径，不同形貌的纳米ZnO粉体。研究结果表明：通过对实验条件的控制，分别制备出了片状、棒状、片状团簇状等形貌的纳米ZnO粉体，并对其形成机理进行了初步探讨。同时，采用常压下油浴加热的方式，以离子液体为溶剂制备纳米ZnO粉体，考察了不同碳链长度以及不同阴离子的离子液体在合成过程中对纳米ZnO粒子形貌的影响。实验结果表明：在本实验条件下，不同碳链长度的离子液体对纳米ZnO粒子大小有很大影响，而阴离子不同的离子液体对纳米ZnO粒子的形貌和粒径大小影响不大。本文通过X-射线衍射光谱、红外光谱、紫外光谱、场发射扫描电镜等手段对纳米ZnO粉体进行了结构表征，并对其光催化性能进行了测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光催化氧化法的概述
• 1.2.1 光催化氧化法的发展史
• 1.2.2 光催化氧化法的反应机理
• 1.2.3 光催化剂的种类
• 1.2.3.1 光电催化
• 1.2.3.2 贵金属沉积
• 1.2.3.3 半导体金属离子掺杂
• 1.2.3.4 复合半导体
• 1.2.3.5 表面光敏化
• 1.2.3.6 减小催化剂颗粒大小
• 1.2.3.7 表面螯合及衍生作用
• 1.2.3.8 新型光催化剂
• 1.2.4 ZnO 作为光催化剂的优越性及其常用制备方法
• 1.2.4.1 化学法沉淀法
• 1.2.4.2 水热合成法
• 1.2.4.3 溶胶-凝胶法（sol-gol）
• 1.2.4.4 液相沉淀-热分解法
• 1.2.5 纳米氧化锌的表面改性
• 1.2.6 光催化氧化法反应动力学
• 1.2.7 光催化氧化法在环保中的应用
• 1.2.7.1 染料废水
• 1.2.7.2 农药
• 1.2.7.3 卤代有机化合物
• 1.2.7.4 表面活性剂
• 1.2.7.5 含油废水
• 1.2.7.6 无机污染物废水的处理
• 1.2.8 光催化氧化法的优点
• 1.3 离子液体概述
• 1.3.1 离子液体发展史
• 1.3.2 离子液体的分类
• 1.3.3 离子液体的性质
• 1.3.3.1 熔点
• 1.3.3.2 密度
• 1.3.3.3 粘度
• 1.3.3.4 酸碱性
• 1.3.3.5 热稳定性
• 1.3.3.6 溶解性
• 1.3.3.7 导电性
• 1.3.3.8 电化学窗口
• 1.3.3.9 生物可降解性
• 1.3.3.10 蒸气压
• 1.3.4 离子液体的合成
• 1.3.4.1 一步合成法
• 1.3.4.2 两步合成法
• 1.3.4.3 微波及超声辅助合成
• 1.3.4.4 啉盐与Lewis酸络合
• 1.3.5 离子液体在无机纳米材料合成中的应用
• 1.3.5.1 金属纳米材料
• 1.3.5.2 多孔材料
• 1.3.5.3 一维纳米材料
• 1.4 选题依据
• 第二章 离子液体的合成与表征
• 2.1 合成离子液体的实验药品与实验仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 离子液体的合成
• 2.2.1 反应物的纯化
• 2.2.2 1-乙基-3-甲基咪唑溴盐（[EMIM][Br]）的合成
• 2.2.3 1-庚基-3-甲基咪唑溴盐（[C7MIM][Br]）的合成
• 2.2.4 1-十二烷基-3-甲基咪唑溴盐（[C12MIM][Br]）的合成
• 2.2.5 1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鎓盐（[C12MIM][PF6]）的合成
• 2.3 离子液体的表征
• 2.3.1 1-乙基-3-甲基咪唑溴盐的表征
• 2.3.2 1-庚基-3-甲基咪唑溴盐的表征
• 2.3.3 1-十二烷基-3-甲基咪唑溴盐的表征
• 2.4 小结
• 第三章 离子液体中纳米氧化锌的制备与表征
• 3.1 合成纳米氧化锌所用的实验药品及实验仪器
• 3.1.1 实验药品
• 3.1.2 实验仪器
• 3.2 纳米氧化锌的制备
• 3.2.1 高压水热法制备纳米 ZnO
• 3.2.1.1 温度的影响
• 3.2.1.2 离子液体用量的影响
• 3.2.1.3 氢氧化钠用量的影响
• 3.2.2 常压油浴加热法制备纳米 ZnO
• 3.2.2.1 氢氧化锌的制备
• 3.2.2.2 纳米氧化锌的制备
• 3.3 纳米氧化锌的表征
• 3.3.1 SEM 表征
• 3.3.1.1 温度的影响
• 3.3.1.2 离子液体用量的影响
• 3.3.1.3 氢氧化钠用量的影响
• 3.3.1.4 油浴加热样品形貌的表征
• 3.3.2 XRD 表征
• 3.3.2.1 温度的影响
• 3.3.2.2 离子液体用量的影响
• 3.3.2.3 氢氧化钠用量的影响
• 3.3.2.4 油浴加热制备的ZnO 粒子的 XRD 谱图
• 3.3.3 红外光谱的表征
• 3.4 ZnO 晶体形成机理
• 3.5 小结
• 第四章 纳米氧化锌的光催化性能测试
• 4.1 测试纳米ZnO光催化性能所需的实验仪器及药品
• 4.1.1 实验药品
• 4.1.2 实验仪器
• 4.2 罗丹明B溶液的分析
• 4.2.1 罗丹明B溶液的概述
• 4.2.2 罗丹明B溶液的配制
• 4.2.3 罗丹明B溶液最大吸收波长的测定
• 4.2.4 罗丹明B溶液回归曲线的测定
• 4.3 纳米ZnO光催化性能的测试
• 4.3.1 温度的影响
• 4.3.2 离子液体用量的影响
• 4.3.3 氢氧化钠用量的影响
• 4.3.4 油浴加热方式
• 4.4 对比实验
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢