【摘 要】
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氧化锌(ZnO)由于成本低、无毒及强光敏性和优异的光学、物理和化学性质引起了人们的关注,目前已在太阳能转换和环境污染物处理等领域进行了较为深入的研究。但是太阳光的利用率较低,所以拓展可见光的吸收成为亟待解决的问题。多孔ZnO由于其发达的孔道结构利于污染物和产物吸附和扩散,所以在光催化污染物降解时可以产生更多的表明活性位。因此,调控多孔ZnO带隙及表面缺陷以实现其可见光的有效吸收同时提高光生电荷的分
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氧化锌(ZnO)由于成本低、无毒及强光敏性和优异的光学、物理和化学性质引起了人们的关注,目前已在太阳能转换和环境污染物处理等领域进行了较为深入的研究。但是太阳光的利用率较低,所以拓展可见光的吸收成为亟待解决的问题。多孔ZnO由于其发达的孔道结构利于污染物和产物吸附和扩散,所以在光催化污染物降解时可以产生更多的表明活性位。因此,调控多孔ZnO带隙及表面缺陷以实现其可见光的有效吸收同时提高光生电荷的分离效率仍是目前的挑战性课题。本文采用一步水热和固态化学还原方法合成了一种多孔黑色六边形ZnO光催剂,并对其晶格结构及表面缺陷进行了调控,有效的拓展了可见光的吸收,提升了电子和空穴分离效率。为了进一步提高太阳光的利用率,进行了金属元素掺杂以拓展光响应范围到近红外光区,并且引入贵金属,利用其表面等离子体共振效应进一步提升太阳光催化性能。本文主要内容分为以下三个部分:1、以醋酸锌做前驱体,同时以P123为表面活性剂,采用水热结合硼氢化钠高温氢化还原方法合成了黑色多孔六边形ZnO,这种黑色多孔六边形ZnO具有多孔、大比表面积等特点。通过400℃煅烧(硼氢化钠:ZnO=1:2)得到最佳缺陷浓度的光催化材料,表面缺陷的存在使带隙由3.21eV减小至2.95eV,比表面积由1.5m2g-1提高至26.7m2g-1(约17倍),黑色ZnO可见光催化降解四环素(80min)性能相比原始ZnO性能提高了3倍。这是由于多孔结构和氧空位缺陷的形成、减小的带隙拓宽了太阳光的吸收范围、适量缺陷利于光生电荷的分离以及多孔结构提供大量表面活性位的缘故。2、以醋酸锌和正丁基氧基铝为前驱体,采用溶剂热方法合成了Al掺杂的黑色多孔六边形ZnO。Al掺杂使ZnO晶粒尺寸由54.69?减小至48.11?,比表面积由36.7m2g-1增加到58.7m2g-1。通过调控Al的掺杂量,探索到最佳降解性能比例(3%-Al-OVZCHPs),3%-Al-OVZCHPs可见光催化降解四环素(80min)性能较多孔黑色ZnO性能提高一倍,这是由于Al掺杂形成高浓度缺陷,从而改变了ZnO晶体的能带结构,进一步减少带隙的结果。此外,Al掺杂增加了表面羟基的数量,促进·OH和·O2-的生成,进一步提高了光催化降解性能。3、以Al掺杂ZnO为宿主,采用光沉积的方法制备了Ag/Al-ZnO组装体材料。这种材料在Ag与ZnO的界面处会形成异质结构,并且金属Ag的负载在ZnO表面实现表面等离子体共振(SPR)效应,利用Al和Ag纳米粒子之间的协同作用进一步促进了光生载流子的传输和分离,进而提高了光生电子-空穴对的分离效率。Ag/Al-ZnO光催化降解四环素性能(80min)相比于Al/ZnO提高了1.8倍。这是由于形成的异质结构和Al-Ag之间的协同作用及银的SPR效应,能够更好地促使光生载流子分离,抑制了电子-空穴对的复合,并且显著提高了可见光的利用率,从而提高了光催化降解性能。这种新的合成策略为开发用于太阳能转化的等离子体光催化组装材料提供了新的思路,在环境领域具有潜在的应用前景。
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