納米znzno復合結構的制備

1常用光催化機構設計zno是一個直接的-它是-它是一個-它是一個國家。在室溫下，禁帶寬度為3.37ev，激子結合能為60mev，吸收波長為380nm的紫外。由于其光生電子-空穴對壽命短、光催化過程量子效率低,從而制約了ZnO作為半導體光催化劑的發展本項目采用振動研磨的方法制備納米Zn顆粒,然后用納米Zn水解制備納米Zn/ZnO復合結構,以水溶性偶氮染料的代表性化合物甲基橙為污染物,研究納米Zn/ZnO復合結構的光催化性能,用紫外-可見吸收光譜分析納米Zn/ZnO復合結構的光催化活性。22.1研磨管容積、功率及激振特性采用干法室溫振動研磨的方法制備納米Zn顆粒。主機是一種新型輥壓振動研磨機,規格2.5L,電機功率0.12kW,激振頻率16Hz,振幅5mm,研磨管容積2.5L。實驗時將150g粒度為3~5μm,純度為95%的霧化Zn粉,置入研磨機磨筒中,在氬氣保護下振動研磨11h2.2水解反應部分取研磨11h后的Zn粉10g放入三口燒瓶中,用加熱套加熱至250℃時,將保護氣體氬氣和水蒸汽分別從三口燒瓶的兩側通入裝有納米Zn的燒瓶中,在250℃下進行水解反應2.3雙亞甲基橙水解反應—其光催化降解分別在室外陽光、30W紫外燈光和室內無陽光照射環境下進行納米Zn/ZnO復合結構的光催化實驗。在500ml燒杯中加入體積為100ml、濃度為20mg/L甲基橙溶液(未調pH值)。實驗過程中,用磁力攪拌保持體系中溶液濃度和溫度平衡,實驗用水為離子水。2.4晶體結構的觀察用日本電子株式會社JEM-2100F型場發射透射電子顯微鏡(TEM)觀察顆粒形貌特征與尺度;日本理學電機D/max-γB型X射線多晶體衍射儀(XRD)測試樣品的晶體結構;美國Varian公司CARY500型紫外-可見分光光度計(UV-Vis)測量樣品的紫外吸收光譜。33.1納米結構的tem圖像圖1是Zn粉在不同情況下的TEM圖像,可看到原料Zn粉經11h研磨后尺度和形貌變化。由圖1(a)可見原料Zn粉的形貌為球形顆粒,尺度在3~5μm之間。研磨7h后,顆粒的尺寸明顯減小,結構演變為針片狀,形貌如圖1(b)所示。研磨11h后得到了單晶、透明、尺度均勻的納米結構,粒度在10~20nm之間,粒度分布均勻,如圖1(c)所示。圖2是納米ZnO和Zn/ZnO復合結構的TEM圖像。圖2(a)為普通商業用ZnO經振動研磨11h后的TEM圖像,形狀為短圓柱,粒度分布在50~200nm之間。圖2(b)為250℃時納米Zn水解反應生成物的TEM圖像,其中ZnO的形狀為長圓柱,直徑約為10~50nm,長度方向的尺寸分布在5~20μm范圍內,同時還有少量未完全反應的納米Zn吸附在ZnO表面,形成了棒狀和片狀共存的獨特結構。圖2(c)為250℃時納米Zn/ZnO復合結構的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像,進一步顯示Zn/ZnO復合體的形貌特征。圖3是納米Zn水解反應后固相產物的XRD圖譜,與X射線標準衍射卡衍射數據對照,固相中僅有ZnO和Zn兩種成分,晶體結構仍為密排六方晶格結構,產物中沒有其它成份存在。3.23.2.1白色實驗在無光照加入納米ZnO3.2.2催化劑用量對甲基橙光催化降解率的影響圖4是納米Zn/ZnO復合結構在30W紫外燈光照射下,紫外燈光源距液面30cm,催化劑用量為50~700mg時甲基橙隨時間的降解率。隨著催化劑用量的增加,反應時間明顯縮短,當催化劑用量為600mg,反應時間1h時,甲基橙降解率近乎100%。繼續增加催化劑用量,降解率開始下降,可見催化劑存在一個最佳投放量。在多相光催化系統中,催化底物吸收光子產生高活性的電子激發態,引發電子躍遷到被吸附物上,電子轉移的速率取決于光生載流子向表面的擴散圖5是催化劑用量為600mg,分別在太陽光、紫外光和室內無光照射時甲基橙的降解率。圖5中可見,在太陽光照射時納米Zn/ZnO復合體的光催化性能最好,反應時間為15min時甲基橙的降解率為95%,30min內幾乎完全降解,紫外光照射時降解率有所下降,室內無光照時降解率最低。與國內外相關文獻比較3.2.3納米zn/zno復合結構圖6A、B、C分別為納米ZnO、納米Zn和納米Zn/ZnO復合體在室溫下測定的紫外-可見吸收光譜。三者在波長300~380nm之間都有很強的紫外吸收峰,納米ZnO在紫外光區的光吸收強度略高于納米Zn/ZnO復合結構,納米Zn顆粒的吸收強度最弱。當波長>380nm時,納米ZnO的光吸收強度迅速下降,而納米Zn/ZnO復合結構的吸收強度明顯高于納米ZnO,納米Zn顆粒的吸收介于二者之間。UV-vis實驗證明,少量納米Zn負載在納米ZnO上,增強了半導體在可見光區的吸收。光照后生成的電子和空穴分別定域在金屬和半導體催化劑上發生分離,有效阻止光生載流子復合,拓寬半導體在可見光區的響應范圍用半導體能帶理論來解釋光催化過程,雖然已被普遍接受,但并不是所有的實驗結果都能完全用它給出清楚的解釋3.2.4顆粒尺寸的影響顆粒直徑是影響光催化活性的重要因素,基質晶粒尺寸的改變會引起激子譜峰的位移和寬度變化,與體相材料相比納米顆粒有更高的光催化氧化-還原能力材料從塊體減小到一定臨界尺寸后,其載流子的運動受到限制,原來準連續的能帶結構變成準分立的類分子能級,能級間距隨顆粒尺寸減小而增大。對于半導體納米粒子,由于電子和空穴行為受到空間限域效應的影響,它們之間的波函數重疊增大,激子態振子強度增大,其激子吸收強度隨顆粒尺寸的減小而增強。動能的增加使禁帶變寬,光吸收帶邊向短波方向移動(藍移),尺寸越小移動越大,當顆粒粒徑小于載流子復合前遷移距離時,電子與空穴復合幾率降低,光催化性能提高4金屬zno納米復合體系的表征采用干法室溫振動研磨的方法成功制備出納米Zn顆粒,納米Zn水解反應制備出納米Zn/ZnO復合結構;TEM檢測表明,研磨11h的納米Zn,顆粒尺寸分布在10~20nm之間,水解后生成的ZnO直徑約為10~50nm,長度方向的尺寸分布在5~20μm范圍內,少量未完全反應的納米Zn吸附在納米ZnO上,形成棒狀與片狀共存的獨特結構,XRD物相分析知產物中僅有Zn和ZnO兩種物質;光催化實驗結果顯示,納米Zn/ZnO復合