镉镍共掺杂ZnO纳米材料的制备及光催化性能研究

来源 :重庆师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haose1989
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近年来,半导体光催化技术在工业印染废水的处理方面受到了广泛的关注。相比传统的废水处理方法,半导体光催化降解技术具有处理效率高、操作简单、反应条件温和等优点。氧化锌(Zn O)是一种n型半导体材料,由于其本身无毒无害、成本低廉、制备方法多样而受到众多研究者的重视,是一种性能优良的光催化剂。但是Zn O作为光催化剂存在一定的不足,如Zn O的带隙较宽导致其对太阳光的利用率低,Zn O激发的光生载流子的复合几率高等。因此,Zn O作为光催化剂的使用也受到了一定的限制。研究发现,过渡金属掺杂是一种提高Zn O光催化性能的有效方法。基于以上背景,本文采用水热法制备了Zn O、不同Cd掺杂浓度的Zn O:Cd和不同Ni掺杂浓度的Zn O:Ni以及Cd、Ni共掺杂Zn O-Cd-Ni纳米材料,并通过XRD、SEM、吸收光谱和拉曼光谱对合成的样品进行了表征。以罗丹明B溶液模拟纺织废水,以所制备的样品为光催化剂,在以氙灯模拟的太阳光照射条件下对样品的光催化降解性能进行了研究,并做了相关分析与对比。实验研究结果如下:(1)采用水热法制备的Zn O、Cd单掺的Zn O:Cd和Ni单掺的Zn O:Ni以及Cd、Ni共掺杂的Zn O-Cd-Ni纳米材料均为六方纤锌矿晶体结构,且Zn O、Cd单掺的Zn O:Cd与Ni单掺的Zn O:Ni的形貌特征均为纳米棒,Cd、Ni共掺杂的Zn O-Cd-Ni的形貌有一定的变化,由纳米棒向纳米厚片转变。(2)Zn O纳米棒对罗丹明B溶液具有一定的光催化降解作用,但是由于Zn O纳米棒带隙较宽(3.25e V),使得Zn O纳米棒对罗丹明B溶液2小时的降解率仅有49.4%,反应速率常数k为0.0061min-1。Cd掺杂降低了Zn O的带隙,而且Cd2+掺杂作为光生空穴的捕获阱,能够有效抑制光生电子与空穴的复合,适量的Cd掺杂可以提高Zn O对罗丹明B溶液的光催化降解性能,且当Cd掺杂浓度为16%时,Zn O:Cd纳米棒对罗丹明B溶液2小时的降解率为80.5%,反应速率常数k为0.0133min-1,即Cd的最佳掺杂量为16%,使得Zn O的降解效果最好。Ni掺杂对于提高Zn O的光催化性能具有积极的作用。Ni2+掺杂也能够降低Zn O的带隙,而且Ni2+掺杂作为光生电子的捕获阱,能够有效降低光生电子-空穴对的复合几率,从而提高Zn O的光催化性能。当Ni掺杂浓度为4%时,Zn O:Ni纳米棒对罗丹明B溶液2小时的降解率为78.6%,反应速率常数k为0.0131min-1。(3)Cd2+和Ni2+共同掺杂能够充分利用两种过渡金属元素的协同作用显著改善Zn O的光催化性能,Cd、Ni共掺杂对Zn O光催化性能的增强效果明显大于Cd或Ni单掺Zn O时对其光催化性能的增强效果。Cd、Ni共掺杂Zn O-Cd16%-Ni2%纳米棒对罗丹明B溶液的降解效果最好,2小时的降解率达到了98.8%,反应速率常数k为0.0368min-1,远远优于Zn O纳米棒、Cd单掺的Zn O:Cd纳米棒和Ni单掺的Zn O:Ni纳米棒。(3)Zn O、Cd单掺的Zn O:Cd和Ni单掺的Zn O:Ni以及Cd、Ni共掺杂的Zn O-Cd-Ni纳米材料对罗丹明B溶液的光催化降解反应均符合一级反应动力学规律。
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