氧化锌和二氧化钛材料的制备及其光催化、气敏性能研究

论文摘要

ZnO是一种在光催化和气敏传感器方面都占据重要地位的氧化物半导体材料,因其优秀的物理化学性质而广受关注,然而在性能方面,ZnO还存在很多亟待改善的问题,如光催化效率低,气敏选择性差、灵敏度不高的问题等等。因此,本文从ZnO材料的实验合成出发,制备了一系列新型ZnO材料,通过形貌控制,元素掺杂和材料复合三种功能化手段,有效提高了ZnO材料的光催化效率和气敏灵敏度。具体研究内容如下:第二章中,旨在通过实验条件调整,获得一种合成简单,光催化性质和气敏性质良好的ZnO材料。利用溶胶凝胶和水热结合的方法,在简单的水和乙二醇组成的二元溶剂中,合成了纯相ZnO系列样品。通过控制锌源的浓度获得了具有多孔颗粒状、类手榴弹状、类花生状三种形貌的ZnO微粒样品。光催化性质对比分析发现,具有小尺寸（100-200 nm）的多孔颗粒状样品的光催化效率最高,降解速率0.054/min,循环性质稳定。对乙醇气体气敏性能研究表明,系列样品在循环稳定性和响应恢复时间上均表现良好。具有多孔颗粒状形貌的材料对乙醇气体的响应值更高（两个样品分别为12.5,15.6）,而且尺寸最小的多孔颗粒状样品对乙醇气体的选择性更好。这是因为小尺寸和多孔特征在气敏测试中为气体在材料中扩散和反应提供了更多的通道和空间,提高了材料对气体的吸附能力。这部分研究为简易合成兼具良好光催化和气敏性能的ZnO材料提供了新的途径,为乙醇检测气敏传感器的研究提供了参考。第三章中,在前面多孔颗粒状形貌ZnO的合成参数基础上,通过稀土Nd掺杂,有效提高了材料的光催化性能和气敏性能。引入掺杂源NdN3O9·6H2O,制备了一系列不同掺杂浓度的Nd/ZnO材料。Nd元素成功掺入ZnO晶格,以Nd3+状态存在。Nd掺杂能够有效抑制ZnO晶粒生长,使多孔颗粒尺寸更小、更均匀。材料中的Nd离子价态在光催化过程中在+3到+2价之间灵活变化,能够俘获导带上的电子,降低光生电子-空穴对自发复合的效率,有效提高光催化性能,使降解速率达到掺杂前的2.7倍。在气敏性质方面,Nd掺杂能够提高材料中氧空位和吸附氧的占比,使材料表面对气体的吸附能力增强,材料的电子耗尽层在空气中更厚,在乙醇气氛中更薄,最终导致材料气敏响应值的提高,灵敏度达到36.02（100 ppm）,是掺杂前的3.5倍。这种多功能Nd/ZnO材料合成流程简单、易行,性能优秀,应用潜力更广,特别是在乙醇气敏检测方面,有望开发为一种经济、灵敏度高、性质稳定的乙醇检测气敏传感器。第四章中,以提高ZnO光催化剂的回收性能和循环稳定性为目的,合成了具有不同形貌特征的Fe3O4@SiO2@ZnO和Fe3O4@SiO2@Nd/ZnO核壳复合材料。利用模板法,首先分步合成Fe3O4@SiO2芯核,然后在芯核表面负载ZnO或Nd/ZnO,得到两种光催化剂。磁性芯核为核壳结构的形成起到了模板作用,也使材料具备了磁性回收的功能,提高了催化剂的实用性。Fe3O4@SiO2@ZnO中,ZnO以纳米片状形貌均匀生长在Fe3O4@SiO2球核表面,材料的比表面积高达68.43 cm2/g。这种特殊的结构特点,使该光催化剂表现出很强的吸附性能,对RB的吸附率高达40%。Fe3O4@SiO2@Nd/ZnO表面的ZnO以微粒形貌存在,而且掺杂浓度越大,ZnO微粒尺寸越小,Nd掺杂对表面ZnO的形貌起到明显调制作用。稀土离子Nd3+在光催化过程中灵活的价态变化,提高了光催化剂中光生电子空穴对的分离效率,最终提高了材料的光催化性能。本章研究为合成具有良好的光催化性能,实用的磁性回收功能,稳定的循环利用效率的复合光催化剂提供了设计思路。第五章中,从光催化剂的结构设计和可见光区响应拓展出发,合成了具有介孔特点的m-TiO2@CdS可见光催化剂。首先通过溶胶凝胶和水热法结合制备了TiO2介孔球,其次利用水热法在介孔球表面负载了CdS纳米粒子,得到了m-TiO2@CdS异质光催化剂。m-TiO2骨架较大的比表面积（107.9 m2/g）和丰富的孔道,有效控制了CdS纳米粒子（约7 nm）的尺寸和分布,促使TiO2和CdS两种半导体之间形成致密接触的异质结。通过这种窄带-宽带半导体复合设计,成功将m-TiO2@CdS材料的光响应拓展至可见光区。对比实验发现,这种m-TiO2@CdS材料的光催化降解速率最高达到m-TiO2的21.7倍,纯CdS的2.0倍。经过研究和分析,材料光催化效率的提高受益于TiO2和CdS之间的协同作用,光生电子-空穴对的复合受到了有效抑制。这种m-TiO2@CdS材料具有比表面积高,可见光响应能力强,光催化效率高的优点,可以用于工业废水中有机污染物的去除。

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第一章绪论

1.1 氧化物半导体材料概述

1.1.1 半导体材料简介

1.1.2 ZnO材料简介

2 材料简介'> 1.1.3 Ti O₂材料简介

1.2 半导体材料的应用

1.2.1 光催化降解水中有机污染物

1.2.2 气敏传感器

1.3 氧化物半导体的功能化

1.3.1 形貌和结构设计

1.3.2 元素掺杂

1.3.3 异质复合

1.4 论文的选择及研究意义

第2章形貌可控的Zn O微粒的合成及其光催化和气敏性质

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品

2.2.2 合成方法

2.2.3 光催化性能测试

2.2.4 光电流测试

2.2.5 自由基捕获实验

2.2.6 气敏性能测试

2.2.7 表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 ZnO的结构表征

2.3.2 ZnO的光催化性能分析

2.3.3 ZnO的气敏性能分析

2.4 本章小结

第3章 Nd掺杂Zn O微粒的合成及其光催化性质、气敏性质研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品

3.2.2 合成方法

3.2.3 光催化性能测试

3.2.4 光电流测试

3.2.5 自由基捕获实验

3.2.6 气敏性能测试

3.2.7 表征方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 Nd/ZnO的性质表征

3.3.2 Nd/ZnO的光催化性能分析

3.3.3 Nd/ZnO的气敏性能分析

3.4 本章小结

3O₄@SiO₂@ZnO和 Fe₃O₄@SiO₂@Nd/ZnO复合材料的制备及光催化性能研究'>第4章 Fe₃O₄@SiO₂@ZnO和 Fe₃O₄@SiO₂@Nd/ZnO复合材料的制备及光催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品

4.2.2 合成方法

4.2.3 光催化性能测试

4.2.4 光电流测试

4.2.5 自由基捕获实验

4.2.6 表征方法

4.3 结果与讨论

3O₄@SiO₂@ZnO及 Fe₃O₄@SiO₂@Nd/ZnO的性质表征'> 4.3.1 Fe₃O₄@SiO₂@ZnO及 Fe₃O₄@SiO₂@Nd/ZnO的性质表征

3O₄@SiO₂@ZnO及 Fe₃O₄@SiO₂@Nd/ZnO的光催化性能分析'> 4.3.2 Fe₃O₄@SiO₂@ZnO及 Fe₃O₄@SiO₂@Nd/ZnO的光催化性能分析

4.4 本章小结

2@Cd S介孔球的合成及光催化性能研究'>第5章 m-Ti O₂@Cd S介孔球的合成及光催化性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验药品

5.2.2 合成方法

5.2.3 光催化性能测试

5.2.4 自由基捕获实验

5.2.5 表征方法

5.3 结果与讨论

2@CdS的性质表征'> 5.3.1 m-TiO₂@CdS的性质表征

2@CdS的光催化性能分析'> 5.3.2 m-TiO₂@CdS的光催化性能分析

5.4 本章小结

第6章结论

参考文献

作者简介及攻读博士学位期间的科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 崔舒

导师: 李晓天

关键词: 氧化锌,二氧化钛,光催化,气敏,掺杂,异质结,核壳结构

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 化学,化学,环境科学与资源利用

单位: 吉林大学

分类号: O643.36;O644.1;X703

DOI: 10.27162/d.cnki.gjlin.2019.000086

总页数: 121

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