基于棒状ZnO/Eu2O3的多尺度可见光催化材料制备及应用研究
快速工业化和城市化带来的水体污染日益严重，其中纺织染料的广泛使用、生活中抗生素滥用及病原微生物泛滥等问题尤为突出，严重破坏了生态环境，阻碍了社会和经济发展，亟待解决。采用光催化剂处理水体污染是一种绿色节能的有效方法。金属氧化物是常见的光催化剂，广泛用于光催化消毒及有机物降解领域。然而，通过优化成分及结构实现具有高效可见光催化活性的材料的制备依然是巨大的挑战。通过MOFs衍生法能够有效调控氧化物基光催化材料的成分及结构，实现可见光催化性能的提升。本文采用具有高比表面积的线状MOFs为自牺牲模板进行热解转化，并通过原位光还原制备得到了贵金属纳米颗粒修饰的MOFs衍生金属氧化物复合光催化剂，研究了光催化降解性能，分析了材料结构-性能关系。本论文研究的具体内容如下： 首先，以ZnCl2和均苯三甲酸(BTC)为原料，常温合成了线状MOFs(Zn-BTC)，并以此为模板高温热解得到了一系列ZnO-C可见光催化材料，分别研究了配位反应时间和煅烧温度对可见光催化材料形貌结构的影响。实验结果表明，当配位反应时间控制在30min，煅烧温度为550℃时，可以得到毛虫状ZnO-C复合材料。为了进一步优化材料的光催化活性，通过可见光还原的方法，在光催化材料上成功负载了纳米Ag颗粒，制备出了毛虫状Ag-ZnO-C复合材料。对毛虫状可见光催化剂ZnO-C-550、Ag-ZnO-C-550进行了结构形貌表征，并对材料成型机理进行了相关分析。并推测毛虫状主干部分主要来自于前驱体MOFs的微米棒，鞭毛部分则主要来自于MOFs的纳米棒部分。 其次，研究了ZnO-C-550、Ag-ZnO-C-550等复合材料的光催化降解污染物及光催化杀菌性能，分析了光催化机理。本论文采用MB、PnP、AMX为底物模板做了可见光光催化实验，以及E.coli为杀菌目标进行了光抗菌实验。系统的对比分析了包括ZnO；ZnO-C-550；Ag-ZnO-C-550等各个材料的吸附性能和可见光光降解性能。其中Ag-ZnO-C-550展现出了很高的光催化活性，在光催化降解污染物的测试中,ZnO纳米棒；ZnO-C-550和Ag-ZnO-C-550光催化20mg/L的MB的反应速率常数分别为34.5×10-3min-1；52.2×10-3min-1；148.4×10-3min-1，降解率分别达到了70.9%；99.4%；99.8%，光催化10mg/L的PNP的反应速率常数分别为2.7×10-3min-1；6×10-3min-1；6.8×10-3min-1，降解率分别达到了62.7%；81.7%；89.3%，光催化91.3mg/L的AMX的反应速率常数分别为9.4×10-3min-1；19.6×10-3min-1；13.8×10-3min-1，降解率分别达到了56.3%；85.5%；90.1%。制备的Ag-ZnO-C-550可见光光催化剂在重复催化5次后，对MB的光催化效率任然能够达到97.2%。MOFs作为模板提供了材料高比表面积，利于污染物快速吸附，同时也促进了光生电子的转移，减少了载流子的复合。此外Ag-ZnO-C-550的催化MB效率比负载之前提高了近一倍,对PNP以及AMX也有一定程度的提高。贵金属单质(Ag)的负载是利用了Ag的表面等离激元拓宽了可见光的响应程度。而且在光抗菌消毒上少量材料20min内实现了>99.99%大肠杆菌灭活。 最后利用稀土金属盐合成了线状稀土金属有机骨架(Eu-MOFs)，并进一步自组装形成类海胆多级结构。通过高温煅烧制备了Eu2O3-C以及光还原负载后的Ag-Eu2O3-C复合光催化剂。实验结果表明材料在煅烧后能保留海胆结构，且能有效降解MB。该光催化剂与膜材料结合有利于催化剂的分离，实验将Ag-Eu2O3-C定量沉积在膜基材表面，并进一步通过ALD的方法沉积二氧化钛，形成Eu2O3-C-TiO2复合体系，经研究表明涂覆了海胆状Eu2O3-C的纳米纤维膜，ALD沉积二氧化钛6.3wt%时，催化剂的催化性能最好，光催化反应速率常数为11.8×10-3min-1，降解率达到了93.8%，这为光催化消毒工业化应用提供了简便、快捷的途径，相比较于二氧化钛纳米纤维膜在改善水污染方面更具竞争力。
可见光催化材料;MOFs衍生物;Ag纳米颗粒;金属氧化物;催化性能
武汉纺织大学
硕士
材料科学与工程
刘轲
2020
中文
TB342
2020-12-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）