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毕业论文网 > 文献综述 > 化学化工与生命科学类 > 化学工程与工艺 > 正文

纳米氧化锌阵列石墨烯复合材料的制备及其在光催化性能的研究文献综述

 2020-06-25 20:45:04  

文献综述

半导体光催化技术作为一种高效、绿色的具有广阔应用前景的水处理技术,日益受到人们的重视[1,2]。在诸多半导体光催化材料中,纳米 ZnO 由于其效率高、能耗低、成本低、应用范围广以及二次污染少等特点[3],并且由于尺寸处于原子团簇和宏观微粒间,具备纳米材料特有的表面效应、体积效应以及量子限域效应等很多体材料不具备的性质,展现出众多特性,例如荧光性、压电性、良好的导热性和热稳定性等,在光催化剂和场发射器等方面具有应用潜力,成为目前纳米材料领域的研究焦点。但纳米 ZnO 的光催化活性受到光生电子与空穴的高复合率[3,4]、较低可见光的利用率、易团聚等因素的制约。光催化技术又称光触媒,是指一种在光的照射下,自身不起变化,但是可以促进物质的化学反应,光催化是利用自然光能转化为化学反应所需的能量来产生催化剂,使得周围的氧和水分子被激发成游离的氧化离子。光催化的应用主要有污水处理、空气净化、光催化氧化能力、光致超亲水性、抗菌、除霉、除臭等。其中污水处理和空气净化应用前景较好且应用范围较广。半导体纳米材料的光催化,以太阳光为光源,常温下反应,具有较普遍的适用性。由于其在环境保护方面的优势,其推广空间十分广泛,因此如何提高其光催化活性是人们普遍关心的问题。

几种实验室常用的纳米ZnO合成方法有凝胶一溶胶法(低温溶液法),水热法,等。凝胶一溶胶法主要原理是利用金属无机盐为前驱物,低温条件下,在有机溶剂或水中发生水解及缩合反应,生成溶胶后,经过滤等过程转变成具有网络结构的凝胶,最后凝胶经热处理,即可获得固体纳米材料。采用sol-gel法合成纳米材料具有反应条件温和、操作简单以及反应温度低等优点受到重点研究。Yang等[5]制备了ZnO纳米颗粒,系统研究了表面活性剂和pH值对纳米粒子平均尺寸和形貌的影响。Xu[6]等利用溶胶一凝胶法在玻璃基底上制备纳米ZnO薄膜,研究表明薄膜结晶质量随着膜厚的增加而增大。水热法是指在密闭反应容器中,以水为反应媒介,通过加热使得反应体系产生高压,从而发生化学反应合成纳米材料的一种方法。水热法具备原料廉价易得、产物纯度高、产率高等优点。自2003年Vayssieres[5]首次采用水热法合成ZnO纳米棒阵列以来,水热法合成ZnO纳米线/棒阵列的工艺被广泛采用并得到开发,[8]近年来在多种基底上采用水热法可控制备高质量ZnO纳米线/棒阵列受到重点的关注。Chen等[7]采用氨水、六次甲基四胺以及六水合硝酸锌作为原料,在8小时内生长了长度20 μm且高度有序的ZnO纳米线阵列。此方法的关键在于控制氨水浓度,适当增加氨水浓度能促进ZnO纳米线生长。

纳米材料的表征就是运用各种材料分析设备,对纳米材料的性质和特征进行的客观表达,其表征主要包括成分、尺寸、结构、形貌等方面。常用的纳米材料表征有XRD、SEM、TEM等。XRD即X射线衍射法 (X-Ray Diffraction),主要用于纳米材料的物相定性分析和定量分析、结构分析(包括点阵常数、晶体取向等)和尺寸检测。其工作原理是由布拉格方程2可知,X射线衍射照射被检测样品,得到样品的X射线衍射图谱。因为衍射束的方位和强度,与晶体内的原子分布规律先关。故分析其衍射图谱,可知样品的成分、内部微观结构或形态等信息。

SEM即扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope),主要有电子光学系统、信号检测系统、放大系统、图像显示系统和记录系统、电源系统及真空系统组成。由光学电子系统发射的电子束在样品表面扫描,与样品发生作用,激发出二次电子、背散射电子和吸收电子等信号,这些信号再由系统转换成视频信号,经图像显示系统显示。SEM主要用于纳米材料的形貌分析(显微组织、三维立体形貌)、成分分析、结构分析。

TEM即透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope),主要由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统构成。透射电子显微镜工作原理和光学显微镜相似,不同的是TEM利用高压电子束作为照明束。且电子波长较短,与物质作用遵从布拉格方程 ,利用电子束照射样品产生的投射电子为信号,经成像系统可装换成图像信号,经图像显示系统显示。TEM相对于SEM具有更高的分辨率,可达0.1~0.2nm超细微级别。TEM主要用于形貌分析(显微组织、晶体缺陷)、晶体结构分析和成分分析。

石墨烯是一种碳的同素异形体,具有很多优异的性能,如巨大的比表面积、极高的载流子迁移率、突出的力学性能以及较强的吸附能力,石墨烯ZnO复合材料己经被广泛应用于光催化降解有机污染物的研究中,并且展现出较宽的光谱吸收范围,更大的染料吸附量,以及更强的光生电子一空穴对分离能力。[9]受光激发,光生电子在半导体导带向石墨烯表面快速转移,降低载流子复合率,使ZnO/石墨烯复合光催化剂的性能显著提高。此复合光催化剂同样在光电转换方面表现优异性能。袁等[10]采用原位法合成石墨烯/ZnO复合光催化剂,光催化测试结果表明,引入石墨烯有效抑制光照过程中ZnO光腐蚀的发生,明显提高ZnO的光催化活性。陈等[11]以氧化石墨烯为骨架,Zn(CH3COOH)2作为锌源,通过溶胶法制备了ZnO/石墨烯复合光催化剂,研究结果显示,ZnO纳米晶为六方纤锌矿结构且是单晶结构,Zn0和石墨烯复合效果良好,当光催化剂中石墨烯含量为10%时催化性能最佳。综上报道,将石墨烯引入到ZnO中,能有效提高ZnO的光催化活性和抗光腐蚀性能。在解决环境问题方面,石墨烯/ZnO复合材料优越的光催化性能为ZnO光催化剂的实际应用开创了新的可能性。[12]但己报道的石墨烯/ZnO复合光催化剂广泛采用ZnO纳米晶与石墨烯复合,用均匀沉淀法(湿化学法)制备纳米ZnO,并将其负载在氧化石墨烯(GO)上制得了ZnO/GO复合材料。XRD、TEM、UV、PL等证实在GO表面分散着颗粒均匀的ZnO纳米颗粒,GO与ZnO纳米颗粒之间存在电子转移效应,抑制ZnO中光生电子空穴对的复合,提高了ZnO的可见光催化性能;而石墨烯/ZnO纳米阵列复合材料作为光催化剂的相关研究鲜有报道。

综上所述本将石墨烯与Zn0纳米阵列结合,采用湿化学法合成具有较高光催化活性的石墨烯/ZnO纳米棒复合材料,有助于提高Zn0纳米阵列材料的光催化性能,对部分工业染料也有很好的光催化活性。

参考文献

[1] LIU Zi-li (刘自力), LIU Hong-wei (刘宏伟), LI Ru (李茹). Photocatalytic reduction of wastewater containing Cr (VI) by photocatalyst Cu2O (Cu2O 光催化还原含铬(VI)废水的研究) [J]. J Chem Eng of Chinese Univ (高校化学工程学报), 2007, 21(1): 88-92.

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