纳米ZnO的合成及光催化降解孔雀石绿的研究

论文摘要

本文以醋酸锌、溴化锌（高氯酸锌）和氢氧化钠为原料,在异丙醇溶剂中合成了纳米ZnO;采用有效质量模型及纳米ZnO的紫外光谱,通过原位测定法研究了ZnO的粒径大小及生长规律,并结合计算机模拟计算分散在异丙醇溶液中纳米ZnO粒子分布;同时用透射电镜分析产品的形貌及粒径分布。实验结果发现,纳米ZnO粒子的生长符合LSW模型,其粒子大小符合正态分布;考察反应物浓度、共存离子及不同溶剂对纳米ZnO粒径大小的影响。高浓度、溶液共存粒子（NH4+,Cl-,CH3COO-）都会不同程度的抑制纳米粒子的生长。纳米ZnO在四氢呋喃中比异丙醇中的生长速度慢。纳米粒子在溶剂中会发生Ostwald老化,本文研究一种过饱和度控制粒子增长的方法,即将含有小粒子的溶液加入到含有大的粒子溶液中,结果表明:由于两种溶液溶解度存在差异,使得混合后溶液中大的粒子不断长大而小的粒子完全溶解,混合溶液中大的粒子数目保不变,其粒子长大的速度高于Ostwald老化速度。这种方法的主要特征是:当混合前两种悬浊液中粒子大小的差异足够大,且粒子尺寸分布不太宽时,混合两溶液后能窄化纳米粒子大小分布。由液相制备的纳米ZnO,经煅烧得到了纳米ZnO粉体。采用X射线衍射对纳米ZnO粉体结构进行了表征,用差示扫描量热仪考察了其热稳定性。由表征结果可知,在100℃～500℃下煅烧,纳米ZnO均为六方晶纤锌矿结构,在400℃煅烧的纳米ZnO粉体粒径为31.5nm。将不同温度煅烧的纳米ZnO粉体光催化处理孔雀石绿溶液,结果表明,煅烧400℃时,光催化剂的最佳量为0.03g,紫外光照45min后光降解率达99.49%。溶液的pH为11.2时,活性最好。30mg/L孔雀石绿,0.03g光催化剂,紫外光照30分钟后降解率可达98.3%。光强在10W到50W范围内,紫外光越强其光降解率越好。50W的紫外光在45min后,降解率可达100%。同时,对比纳米ZnO、水中制备ZnO、工业ZnO、P25、国产锐钛矿（TiO2）和国产金红石（TiO2）的光催化活性,结果为:非质子溶剂中合成的纳米ZnO光催化活性最好,在紫外光照45min后,水中制备ZnO和工业ZnO降解率只有1.5%,6.49%,而纳米ZnO降解率为99.6%论文最后研究了溶液的pH值对光催化降解影响的动力学,发现孔雀石绿的降解反应符合动力学一级反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 半导体的光催化作用原理
• 1.2.1 半导体光激发带间跃迁和量子效率
• 1.2.2 半导体光催化作用的影响因素
• 1.2.3 ZnO的光降解机理
• 1.3 半导体光催化技术在环境中的应用
• 1.3.1 有机污染物的处理
• 1.3.2 无机污染物的处理
• 1.3.3 贵金属的提取回收
• 第二章 ZnO概述
• 2.1 ZnO的结构与性质
• 2.2 纳米ZnO的应用
• 2.2.1 制备抗菌除臭消毒抗紫外线产品
• 2.2.2 用与精细陶瓷品工业
• 2.2.3 用于催化剂和光催化剂
• 2.2.4 用于制备气体传感器及压电材料
• 2.2.5 制备图像记录材料
• 2.2.6 用于荧光体和电容器
• 2.2.7 用于隐身技术－雷达波吸收材料
• 2.2.8 用于橡胶工业和涂料工业
• 2.3 纳米ZnO的制备机理
• 2.3.1 结晶过程
• 2.3.2 ZnO的洗涤及干燥
• 2.3.3 ZnO的煅烧
• 2.4 纳米ZnO的制备
• 2.4.1 物理法
• 2.4.2 化学制备方法
• 2.5 本课题的研究意义与目的
• 第三章 纳米ZnO的合成
• 3.1 纳米ZnO的制备
• 3.1.1 仪器与试剂
• 3.1.2 工艺流程图
• 3.1.3 反应方程式
• 3.1.4 纳米ZnO的制备方法
• 3.2 纳米ZnO粒子分布及大小的原位测定
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 纳米ZnO的表征
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 反应物组分对纳米ZnO粒子大小的影响
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 小结
• 第四章 纳米ZnO的分散性控制及粒子大小控制
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 纳米ZnO的制备
• 4.2.2 过饱和度控制纳米ZnO粒子的生长
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 过饱和度控制纳米ZnO粒子的生长
• 4.3.2 过度饱和控制生长对纳米粒子大小分布的影响
• 4.3.3 过度饱和控制生长的条件
• 4.4 小结
• 第五章 纳米ZnO光催化降解孔雀石绿溶液的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂与主要仪器
• 5.1.2 催化剂的制备
• 5.1.3 光催化降解孔雀石绿的实验
• 5.2 样品的结构表征
• 5.2.1 紫外－可见分光光谱分析
• 5.2.2 透射电镜分析
• 5.2.3 DSC分析
• 5.2.4 XRD分析
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 孔雀石绿标准曲线的绘制
• 5.3.2 煅烧温度和处理时间的影响
• 5.3.3 纳米ZnO用量对降解率的影响
• 5.3.4 孔雀石绿浓度的影响
• 5.3.5 溶液pH值的影响
• 5.3.6 光强对降解率的影响
• 5.3.7 几种催化剂的对比
• 5.3.8 单位体积的光电子数对光催化降解的影响
• 第六章 光催化降解低浓度孔雀石绿溶液的动力学
• 6.1 光催化降解低浓度孔雀石绿溶液的动力学方程理论分析
• 6.2 不同的pH值对光催化活性影响的动力学方程
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间发表的论文