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纳米棉纤维/ZnO基复合材料的制备及其光催化性能研究

【摘要】:随着工业的发展,废水污染成为一个棘手的问题,严重威胁着人类生存问题。目前有很多种解决废水污染问题的方法,其中光催化降解污染物作为一种无毒、环保、可直接利用光能的绿色技术而受到广泛关注。在众多光催化材料中,ZnO作为一种具有优良物理、化学性能的氧化物半导体,在光催化方面有着重要应用。然而受限于自身较大的禁带宽度,其对光能的利用率存在一定局限性,所以拓展ZnO的光响应范围是一项十分有意义的工作。此外,单体ZnO存在光生载流子复合率较高的问题,因此如何降低其光生载流子复合率也是提高光催化性能的有效手段。另一方面,如何提高催化剂分散性也是提高催化性能的重要因素。棉纤维作为一种天然的高分子材料,具有无毒无污染,表面易被生物降解的特点,而分子结构多羟基以及比表面积巨大的微结构,更是使得纳米棉纤维成为很好的基底材料。综上所述,将静电纺丝制备的棉纤维与ZnO结合可以充分发挥两种组分的优点,进而对纳米棉纤维/ZnO进行必要的复合以拓展光响应范围,提高光催化效率,围绕上述思路,本文主要进行了以下三个部分的研究内容。1.纳米棉纤维/ZnO/Ag_2S纳米复合材料的制备及其光催化性能的研究将棉纤维素粉碎、溶解,配制成纺丝前驱溶液,以静电纺丝技术将纺丝前驱液制备成纳米棉纤维,通过水热法在纤维上负载氧化锌纳米棒。以循环离子吸附法将Ag_2S沉积于ZnO纳米棒表面,以SEM、TEM、XRD、XPS、PL等手段对所制备样品进行表征,结果证明Ag_2S与纳米棉纤维/ZnO成功复合,经过Ag_2S修饰之后的样品光催化降解MB的效率是未经Ag_2S修饰样品的3.4倍,证明光催化性能得到明显提升,其原因可归结为ZnO/Ag_2S异质结较高的光生载流子分离效率以及Ag_2S优异的可见光响应性能。循环使用四次以后,降解率只有10%的降低,说明该类复合结构具有较好的循环稳定性。2.纳米棉纤维/ZnO/AgCl纳米复合材料的制备及其光催化性能的研究以制备的纳米棉纤维/ZnO为基底,以不同浓度比的AgNO_3/NaCl结合循环离子吸附法制备纳米棉纤维/ZnO/AgCl,以SEM、TEM、XRD、XPS、PL等手段对所制备纳米棉纤维/ZnO/AgCl样品进行表征,结果表明,AgCl粒子成功和ZnO结合,进一步通过光催化降解实验探索,纳米棉纤维/ZnO/AgCl对罗丹明B的降解效率是未经AgCl修饰样品的5.4倍,其光催化效率得到了明显的提高,其原因可归结于AgCl对光能利用率的提高以及独特的Z型ZnO/AgCl异质结具有较高的光生载流子分离效率。此外,纳米棉纤维/ZnO/AgCl还展现了较高的循环稳定性。3.纳米棉纤维/ZnO/AgBr纳米复合材料的制备及其光催化性能的研究以制备的纳米棉纤维/ZnO为基底,以不同浓度比的AgNO_3/NaBr结合循环离子吸附法将AgBr与纳米棉纤维/ZnO复合,通过SEM、TEM、XRD、XPS、PL等表征技术证明了AgBr和纳米棉纤维/ZnO的成功复合,进一步通过光催化降解实验探索,纳米棉纤维/ZnO/AgBr对罗丹明B的降解效率是纳米棉纤维/ZnO的5.3倍,其原因可归结于AgBr对可见光响应的增强以及独特的Z型ZnO/AgBr异质结可以有效促进光生载流子的分离。此外,纳米棉纤维/ZnO/AgBr还展现了较高的循环稳定性。

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