兼具光催化降解乙烯和抗菌功能的Ag-Bi2WO6-TiO2/淀粉复合膜的研究

来源 :华南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chi2046
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本论文通过γ射线辐照制备纳米Ag,采用溶剂热法制备Bi2WO6-TiO2(以下简称BT)异质结,再通过沉积手段制备Ag-Bi2WO6-TiO2(以下简称ABT)三元复合光催化剂。将制备的ABT光催化剂负载到淀粉薄膜基体上,构建出兼具可见光催化降解乙烯和抗菌功能的ABT/淀粉复合薄膜材料。详细研究ABT光催化剂的制备条件、负载方式和用量对ABT/淀粉复合膜在可见光下催化降解乙烯性能及抗菌性能的影响;并对ABT光催化剂及复合膜的微观结构和理化性质进行表征;初步探讨了ABT光催化剂及复合膜对提高光催化降解乙烯性能的机理。主要研究内容及结论如下:(1)采用60Co-γ辐照还原法,通过控制硝酸银、PVP-K30用量和辐照剂量以制备出颗粒尺寸小,分散性较好的纳米银溶胶。当硝酸银用量为0.5wt%,PVP-K30用量为0.6wt%,辐照剂量为20 KGy时,得到的纳米银颗粒(以下简称Ag NPs)的粒径分布范围窄,尺寸在2~15 nm之间,分散性好。此时,用此条件下获得的纳米Ag溶胶制备的ABT/淀粉复合膜对乙烯降解反应速率常数K′最大,具有最佳的可见光催化活性。(2)以上述最佳条件下制备的纳米银溶胶为对象,研究纳米银溶胶的掺杂量对ABT光催化剂的理化性质以及可见光催化降解乙烯性能的影响。纳米银颗粒的掺杂没有改变BT结晶性能。随着纳米银添加量的增加,ABT/淀粉复合膜在可见光下对乙烯的降解反应速率常K′值呈先升高后降低的趋势。当纳米银添加量为3%时,K′值最大。(3)采用上述最佳条件下制备的ABT光催化剂为对象,通过对比它与其他一元和二元光催化剂在微观结构、理化性质和光催化性能上的不同。结果表明,纳米TiO2颗粒直径约为20~40 nm,Bi2WO6颗粒直径在40~60 nm之间;纳米TiO2通过与Bi2WO6界面接触,形成BT复合物。纳米银主要以零价态的形式存在于ABT中。ABT复合光催化剂中存在Bi、Ti、Ag、W、O五种元素,且可见有少量纳米银颗粒点缀在BT表面,Ag与BT形成了有效复合。Ag NPs的负载能有效拓宽BT可见光响应范围,将光吸收范围拓宽至红外光区。纳米银的成功掺杂引起明显的表面等离子体共振(LSPR)效应和肖特基势垒,使得ABT的电子-空穴对复合率相较于纯TiO2、纯Bi2WO6和BT有大幅度的减小,而电子传输能力显著增加,这对ABT光催化剂的催化活性的提高有着非常重要的意义。光催化活性评价表明,无论在可见光下还是在模拟太阳光下,ABT展现出比单一光催化剂TiO2、Bi2WO6以及二元复合光催化剂BT、Ag-Bi2WO6和Ag-TiO2更优越的光催化性能。在模拟太阳光下,三元复合光催化剂ABT对乙烯的降解速率常数K′值与纯TiO2、纯Bi2WO6、BT、Ag-Bi2WO6和Ag-TiO2相比,分别提高了188.13%、150.51%、64.62%、29.95%和33.12%;而在可见光下,ABT的K′值相较于纯TiO2、纯Bi2WO6以及BT的K′值分别提高了232.47%、143.82%和74.67%。(4)采用流延法制备淀粉薄膜,通过内掺法负载纳米复合材料制备淀粉复合膜。表征ABT掺杂量对复合膜的微观结构、理化性质和光催化降解乙烯性能的影响。纳米ABT/淀粉复合薄膜与空白淀粉膜的膜厚度均在150~200μm间,ABT/淀粉复合薄膜厚度和抗拉强度均随ABT负载量增加而升高,但断裂伸长率和透明度却随负载量增加而有所降低。纳米颗粒分布在淀粉的网络结构中,ABT/淀粉复合膜的表面平整致密,表面没有裂纹或者气孔,膜表面可观察到少量暴露的纳米颗粒,当纳米材料的负载量增加,纳米复合淀粉膜表面纳米颗粒暴露的几率增加,但ABT的添加量过多,团聚现象加剧。ABT的掺杂没有引起淀粉膜的化学变化,淀粉膜也不会改变纳米材料的晶相结构,但ABT与淀粉界面间存在一定的相互作用;在淀粉基体中加入纳米ABT可以在一定程度上提高薄膜的分解温度,即热稳定性在一定程度上被改善。随着纳米ABT添加量的增加,其相应的复合薄膜降解乙烯K′值先增大后减小。当负载量分别为3%和5%时,它们的K′值之间的差异不显著,当纳米ABT负载量为5%时,可见光下ABT/淀粉复合薄膜催化降解乙烯的K′值达到最大。(5)采用流延法制备淀粉薄膜,通过内掺法结合表面涂布法(复合法)将ABT光催化剂负载在淀粉膜上,制得ABT/淀粉复合膜。纳米ABT通过覆盖在淀粉膜表面成功实现负载,且负载后仍保持纳米颗粒的原有形貌,并且ABT的负载还大大增加了膜表面的粗糙程度。ABT/淀粉复合膜可见光下降解乙烯的K′值随负载量的增加,先增大后减小,当负载量为2.0%时,复合膜光催化降解乙烯活性最高,其对乙烯降解的速率常数K′值最大。(6)以上述复合法制备的ABT/淀粉膜(光催化性能最佳)为研究对象,评价催化条件(光照强度与乙烯初始浓度)对ABT/淀粉膜可见光催化降解乙烯效果的影响。随着光照强度的增大,ABT/淀粉膜可见光催化降解乙烯的速率常数K′值呈现先增大后减小的趋势。当光照强度为60.5 mw/cm2时,ABT/淀粉膜的K′值达到最大值。乙烯初始浓度对ABT/淀粉膜光催化性能也有一定的影响,随着乙烯初始浓度的升高,样品可见光催化降解乙烯的速率常数K′值呈现先增大后减小的趋势,当初始乙烯浓度增加至0.15 mg/L时,复合光催化剂的K′值达到最大。(7)用抑菌圈法考察纳米复合淀粉膜对两种典型的革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)的抑菌效果,抑菌圈实验证实了载银材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生长具有明显的抑制作用。空白淀粉膜与负载TiO2、Bi2WO6和BT的淀粉复合膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均未形成抑菌圈,而负载ABT的淀粉复合膜则形成明显的抑菌圈。内掺法与复合法下,ABT/淀粉复合膜的抑菌能力(抑菌圈平均直径)均随ABT负载量的增加而增加,而ABT/淀粉复合膜对大肠杆菌的抑菌效果略优于金黄色葡萄球菌。
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