氧化锌复合材料的光催化性能及其机理

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目前,用半导体光催化技术处理水中有机污染物的方法引起了人们广泛的研究,这种方法能将太阳能转换为化学能,然后分解水中的有机污染物,制作成本低,不会产生二次污染。在众多半导体光催化剂中,氧化锌(ZnO)因其无毒、制作方法简单,化学稳定性好等优点在光催化领域受到了广泛的关注。ZnO具有宽的禁带宽度(3.3 e V)和大的激子结合能(60 me V),导致其光生电子和空穴极易复合,在紫外光下有良好的光催化活性,但在可见光范围几乎不能被激发,所以对太阳光的利用率极低。为了提高ZnO在可见光下的光吸收能力,可以通过许多方法对其改性,从而提高ZnO的商业应用价值。本文主要采用了非金属掺杂和半导体复合的方法对ZnO进行改性,研究其光催化性质。通过溶胶-凝胶法和水热法分别制备了氮(N)掺杂ZnO和二硫化钼/氧化锌(MoS2/ZnO)复合光催化剂,并采用一系列的表征手段对其进行了微观结构、光学性质和光催化性质的研究,研究的主要内容如下:1、通过溶胶-凝胶法制备了N掺杂ZnO光催化剂,SEM显示其形貌为不规则的纳米棒状,禁带宽度为2.25 e V,小于传统ZnO的带隙(3.3 e V)。经XPS分析发现,N元素的掺杂有助于增加ZnO表面的O空位浓度,能够通过增加ZnO表面的活性位点来改善其光催化性能。光催化实验结果表明,与纯ZnO相比,N掺杂ZnO光催化剂拥有更好的光催化活性。在紫外光照射下,60 min内对亚甲基蓝几乎能够完全降解,并且在可见光照射180 min内,对亚甲基蓝的降解率达到了80%。根据第一性原理计算的结果表明,N掺杂ZnO确实能够减少ZnO的带隙,这是因为N元素能在ZnO的能带中插入一个中间能级,减少了电子从导带向价带跃迁所需吸收的能量,而能够更容易的跃迁。并且有利于减少ZnO的光生电子与空穴对的复合率,从而能够提高ZnO的光催化活性。2、通过水热法制备了不同含量的MoS2/ZnO复合光催化剂,XRD结果显示与MoS2复合的ZnO拥有更好的结晶度。UV-Vis结果表明,与纯ZnO相比,MoS2/ZnO复合材料的光吸收范围向可见光区域拓宽并且禁带宽度也减小了。通过XPS分析可知,MoS2/ZnO光催化剂的表面O空位含量比纯ZnO要高,能够促进样品的光催化活性。光催化实验表明,当MoS2与ZnO的质量比为3%时,在可见光下对亚甲基蓝有最高的降解率,即在180分钟内降解率达到了88%,且降解速率是纯ZnO的2.4倍。
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