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氧化锌因具有活性高、成本低、环境友好等优点,成为目前光催化领域中研究最多的光催化材料之一。然而,氧化锌是一种宽带隙半导体,只对紫外光有响应,并且量子效率较低,这些都限制了其实际应用。国内外研究者采用各种方法来改善其光催化性能,如染料敏化、半导体复合、金属或非金属离子掺杂、贵金属负载、金属氧化物负载等。其中,金属离子掺杂和金属氧化物负载作为简便、有效的改性方法而受到研究者的广泛关注。研究发现,金属离子掺杂后因在半导体光催化剂中引入了杂质能级,而产生了捕获光生载流子的陷阱,从而延长了载流子的寿命。另外,杂质能级的存在也在一定程度上使半导体的光响应范围拓展至可见光区。有研究表明,当用金属氧化物半导体对氧化锌进行改性后,由于半导体之间存在导带、价带能级差,可促进电子在氧化物半导体和氧化锌之间的转移和传递,进而提高氧化锌半导体的光催化效率。鉴于此,我们分别制备了铬掺杂氧化锌、铜掺杂氧化锌、氧化铜负载的氧化锌以及氧化铜/氧化锌混合半导体,进而研究铬、铜离子掺杂以及氧化铜负载及其复合对氧化锌光催化性能的影响。本文主要研究内容如下:
采用共沉淀-煅烧法制备了铬掺杂氧化锌,考察了该体系的可见光光催化性能。结果表明,铬掺杂氧化锌表现出对罗丹明B(RhB)的高效可见光光催化降解能力。光谱分析结果显示,RhB的可见光光催化降解机理属于自敏化降解。当RhB受可见光激发后,其光生电子转移到氧化锌的导带,铬掺杂后引入的杂质能级可使光生电子更有效地分离,电子-空穴的复合得到抑制。此外,确定了铬掺杂的最佳浓度,比较并说明了铬掺杂浓度对氧化锌光催化性能的影响。
通过简单的水热法制备了铜掺杂的棒状氧化锌,考察了该体系在可见光照射下的光催化活性。结果表明,在可见光照射下,铜掺杂后引入的杂质能级能够有效地转移光生电子,从而起到提高氧化锌光催化性能的作用。
采用溶剂蒸发和化学热解法将氧化铜负载在氧化锌上,制备了CuO-ZnO光催化剂,并考察了该体系可见光光催化活性,发现一定量的CuO负载能提高ZnO的光催化性能,证实了CuO作为电子受体能够起到有效分离ZnO光生电子和空穴的作用。
利用硝酸盐分解法制备了CuO/ZnO混合半导体,通过可见光光催化降解RhB发现,单纯增大CuO的量并不能持续提高CuO/ZnO体系的光催化活性,而是存在一个最佳的比例,25%CuO/75%ZnO光催化活性最高。这表明在合适的混合比例下,光生电子可以在CuO和ZnO界面有效转移,从而提高ZnO的光催化活性。