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氧化锌基纳米复合薄膜的制备和光催化性能的研究

作　者: 邵启伟
导　师: 成荣明
学　校: 华东师范大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 光催化纳米氧化锌溶胶凝胶法复合薄膜
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文使用溶胶凝胶结合浸渍-提拉方法在玻璃衬底上制备了纳米ZnO薄膜.对其进行了不同条件的热处理并研究了退火工艺与光催化活性之间的关系.借助其光学性质来跟踪制备过程中溶胶和薄膜的结构变化.结果表明,提高煅烧温度和延长煅烧时间都会加速前驱体的分解和晶粒的长大.使用本文提出的高温少时煅烧工艺(HTST)可以在有机物完全分解的同时抑制晶粒的生长,从而使其兼有较高的纯度,较小的粒径并且因此具有相对较高的活性.PL光谱表明,HTST工艺制备的纳米氧化锌薄膜中可能还存在混晶效应,这也会增加它的光催化活性.光催化中的腐蚀不仅会缩短光催化剂的使用寿命也会造成金属离子污染.本文使用氧化锌薄膜作为研究对象,甲基橙作为光催化底物,着重研究了纳米光催化薄膜的这种腐蚀.分析了其机理并且讨论了pH值和无机盐对腐蚀速度的影响.结果表明暗腐蚀是主要的腐蚀形式,并且腐蚀是因为纳米颗粒的脱落,而不是离子的直接溶解所造成.溶液中的pH条件和盐度会显著影响腐蚀速率,当pH接近9并且溶液中没有无机盐时腐蚀速率最小.表面沉积银后可以延缓其腐蚀速度.通过溶胶-凝胶和浸渍-提拉方法在玻璃片上制备了两种类型的镍改性氧化锌薄膜:镍掺杂氧化锌和氧化镍/氧化锌双层膜.使用了XRD,光学透射谱,SEM和光致发光谱分析了镍改性对材料结构和光学特性的变化.结果表明,掺杂镍离子会取代晶格中的锌离子形成置换缺陷,而双层膜中镍只以氧化镍的形式存在.两种改性手段都使得材料的能带结构发生了细微变化.以紫外线为光源,甲基橙为底物研究了材料的光催化活性.结果表明,镍掺杂使材料的光催化活性有所下降,而双层膜增加了其光催化能力.其机理是:(1)镍掺杂在氧化锌中产生了置换型缺陷并使氧空位浓度减小.(2)ZnO/NiO双层膜结构增强了其电荷分离的能力,通过在p-n结处对电荷的选择性吸收来阻止电子-空穴对的复合.通过溶胶-凝胶结合光还原沉积法在普通玻璃片上制备了Ag-ZnO-NiO系复合薄膜。使用SEM,PL,XRD,UV-Vis等手段对薄膜的表面形貌,物相组成及光学性质作了考察和研究。XRD和UV-Vis分析表明复合薄膜中包含NiO和ZnO的双层异质结构;FESEM照片表明Ag和ZnO分别在其各自的衬底上生长但没有形成完全覆盖,PL光谱表明三层膜的发光强度小于双层膜和单层膜。使用甲基橙为模型底物测试了薄膜在紫外线下的光催化氧化能力,结果表明,三层复合薄膜Ag/ZnO/NiO的活性相比氧化锌单层薄膜和双层薄膜有不同程度的提高,这是由于上层薄膜不能完全包裹下层膜,导致在表面形成了许多微电极结构,这些微电极结构能够使光生电子空穴对有效分离。

全文目录

论文摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-24
  第一节半导体光催化剂及其机理  13-15
    1.1.1 光催化的机理  13
    1.1.2 半导体光催化剂  13-15
  第二节半导体光催化剂的应用现状  15-17
    1.2.1 光催化活性纳米粉体  16
    1.2.2 半触媒喷涂液  16
    1.2.3 紧凑型家用光触媒装置  16
    1.2.4 自清洁玻璃  16-17
    1.2.5 柔性光触媒薄膜  17
  第三节半导体光催化剂改性的进展  17-20
    1.3.1 光催化剂改性的目的  17
    1.3.2 减小晶粒尺寸  17-18
    1.3.3 形成缺陷能级  18
    1.3.4 开发新型窄带半导体材料  18
    1.3.5 开发具有层状结构的新型半导体材料  18
    1.3.6 多相氧化物结构  18-19
    1.3.7 贵金属表面沉积  19
    1.3.8 光敏化体系  19-20
  第四节半导体光催化剂的结构和性能表征  20-21
    1.4.1 热重分析  20
    1.4.2 X射线衍射分析  20
    1.4.3 紫外可见吸收光谱分析  20-21
    1.4.4 光致发光谱分析  21
  第五节本论文的意义和研究内容  21-24
第二章退火条件对ZnO及其光催化剂性能的影响  24-34
  第一节引言  24
  第二节实验部分  24-25
    2.2.1 溶胶的制备  24
    2.2.2 薄膜的制备  24
    2.2.3 表征  24-25
    2.2.4 光催化活性检验  25
  第三节结果与讨论  25-33
    2.3.1 制备过程中材料的结构表征  25-27
    2.3.2 不同退火工艺下ZnO薄膜的光学性质  27-29
    2.3.3 不同退火工艺下ZnO薄膜的光催化性质  29-31
    2.3.4 热处理过程中的动力学研究及HTST的优势  31-32
    2.3.5 混晶效应及其对光催化活性的影响  32-33
  第四节本章小结  33-34
第三章光催化中的腐蚀现象研究  34-42
  第一节引言  34
  第二节实验部分  34-35
    3.2.1 氧化锌薄膜和银改性氧化锌薄膜的制备  34
    3.2.2 材料腐蚀情况和光催化性能的测试  34
    3.2.3 薄膜的表征和腐蚀情况的检测  34-35
  第三节结果与讨论  35-41
    3.3.1 氧化锌薄膜的腐蚀类型  35
    3.3.2 腐蚀的动力学  35-37
    3.3.3 pH对腐蚀速率的影响  37-39
    3.3.4 盐度对腐蚀速率的影响  39
    3.3.5 腐蚀对氧化锌光催化活性的影响  39-40
    3.3.6 银改性氧化锌的腐蚀行为  40-41
  第四节本章小结  41-42
第四章两种类型的镍改性氧化锌薄膜的结构和光催化活性  42-52
  第一节引言  42
  第二节实验部分  42-44
    4.2.1 前驱体溶胶的制备  42-43
    4.2.2 薄膜的制备  43
    4.2.3 表征方法  43
    4.2.4 光催化的测试  43-44
  第三节结果与讨论  44-51
    4.3.1 XRD谱图  44-46
    4.3.2 SEM形貌  46-47
    4.3.3 紫外—可见透射光谱  47
    4.3.4 光致发光谱  47-48
    4.3.5 光催化活性  48-51
  第四节本章小结  51-52
第五章微电极结构三层复合膜的制备及光催化性能的研究  52-60
  第一节引言  52
  第二节实验部分  52-53
    5.2.1 前驱体溶胶的制备  52
    5.2.2 制备薄膜  52-53
    5.2.3 结构与性能的表征  53
    5.2.4 光催化的测试  53
  第三节结果与讨论  53-59
    5.3.1 XRD谱图  53-54
    5.3.2 SEM形貌  54-55
    5.3.3 UV-vis分析  55-56
    5.3.4 PL光谱分析  56-57
    5.3.5 样品的光催化活性  57-59
  第四节本章小结  59-60
参考文献  60-65
已完成的科研成果  65-66
后记  66

氧化锌基纳米复合薄膜的制备和光催化性能的研究

内容摘要

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