碳掺杂zno不同形貌材料制备及其光催化性能研究

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1、第一章绪论1．1课题来源基金项目：国家自然科学基金(21073055)，河南省教育厅自然科学基金项目(2008843001；20108150017)。1．2选题背景与意义人们生活在绚丽多彩的世界，都是染料“家族”的功劳。但是不可否认，它们在给社会增加经济效益的同时，也产生了大量的“三废”，给我们的衣、食、住、行带来了严重威胁。众所周知，染料废水是水污染中较难处理的工业废水之一【1]，它主要来源于染料及其中间体生产行业，由各种产品和中间体结晶的母液、生产过程中流失的物料及冲刷地面的污水等组成。随着染料行业的不断壮大，生产的废水也逐渐成

2、为一种重要的水体污染源。据统计，近些年，我国每年污水排放量达390多亿吨，其中工业污水占51％。而染料废水又占总工业废水排放量的35％，并且还以1％的速度在逐年增加，即每排放1t染料废水，就能造成20t水体的污染[21。据报道，各行业中，印染纺织业的cOD排放量排在第四位，而且排放比重还在逐年增加。染料废水之所以一直成为废水处理中的难题，主要是因为染料废水有如下几个特点：(1)废水中的有机污染物物绝大部分是以苯、萘、蒽、醌等芳香团作为母体，且带有显色基团，颜色很深。(2)染料分子及中间物质往往含有极性基团，如卤化物、硝基苯、氨基物、

3、苯胺、酚类等系列有机物和氯化钠、硫酸钠、硫化物等一些无机盐，增强了水溶性，使物质流失量大。(3)染料越来越朝着抗光解、抗氧化、抗生物降解的方向发展，造成废水更加难以处理，使得原有生物处理系统cOD去除率从70％降到50％左右，甚至更低【3]。原先传统的生物净化处理工艺已经受到严重的挑战。例如，传统的沉淀、气浮法净化处理技术对该种印染废水的COD去除率也仅仅达到30％【41。因此，如何合理高效的处理废水已引起了社会的广泛关注。就目前来看，在众多水处理技术中，光催化处理技术以其操作简便、能耗低、降解彻底、反应条件温和、无二次污染等优点，

4、在处理染料废水方面备受关注并已取得很大进展。光催化反应，顾名思义就意味着光化学反应与催化剂二者有机结合，是指在常温碳掺杂ZnO不同形貌材料制备及其光催化性能研究下以半导体为催化剂，以光为能源，氧化分解有机物的过程，故也称光催化氧化反应。当光催化剂(如Ti02、znO等)能量大于等于禁带宽度的光照射时，其价带上的电子(e-)受到激发，越过禁带进入导带，在价带上留下带正电的空穴(h+)。光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，二者可形成氧化还原体系。当光生电子．空穴对在距离半导体表面足够近时，载流子移动到表面，活泼的空穴、电子就能氧

5、化和还原吸附在表面上的物质。同时，也容易发生电子与空穴的复合，但要想提高光催化效率，就只有抑制电子与空穴的复合。通过俘获剂可抑制其复合，光致电子俘获剂是溶解02，光致空穴俘获剂是OH’和H20。即光生e‘和h+除了可直接与反应物作用外，还可与吸附在催化剂表面上的02、OH一和H20发生一系列反应，生成具有高活性的羟基自由基·OH、·02’及H202，这些活性物质能把吸附在催化剂表面上的有机污染物降解为C02、H20和无机小分子物质等【5’6】。因此，开展利用光催化氧化技术处理废水方面的应用研究，对于保护环境、维持生态平衡、实现可持续

6、发展具有重大意义。Ti02是最常见也是应用最早、最广的一种光催化半导体材料，这是由于Ti02具有良好的禁带宽度，较高的光催化活性。但是，随着研究不断向前发展，研究者们又发现了另外一种禁带宽度约为3．2eV的直接带隙半导体zno，它不仅与Ti02的带隙能相近，而且也可有效地被紫外光(持368nm)激发，因而呈现出良好的光催化活性【7]。zno作为另一种分子组成简单的一类无机氧化物，具有安全无毒、原料易得、制备成本低、生物相容性良好和优异的化学和热稳定性等优点，应用也相当广泛[8‘101。已有的研究表明，ZnO在有机污染物降解和光电传感

7、器方面比Ti02具有更大的前景⋯一31。然而由于znO只能被波长等于或小于387衄的光所激发，而这部分光只占约5％的太阳光，对可见光利用率很低；再加上光生电子一空穴对的复合几率高，量子产率低，大多数文献报道光量子效率不高于4％，因而限制了它在可见光催化领域的发展。研究发现，对ZnO进行改性，不仅能提高光生电子．空穴对的分离效率，抑制载流子的复合，提高量子效率，还能拓宽光谱响应范围，增强半导体光催化材料的稳定性，大大提高zn0对太阳光的利用率，以期达到更好的降解效果，扩大了废水降解应用范围。所以，目前最关键的就是研究对znO的改性方法

8、，据文献报道，其改性方法主要有表面贵金属沉积、金属离子或非金属离子掺杂、与其他半导体复合、表面敏化以及载体负载等。基于此，本课题选择zn0半导体材料为本体，采用先水热后煅烧方法对Zn0进行C的掺杂改性，通过对制备材料的⋯系列表征，分析