Ag2O/四足ZnO纳米结构压电-光催化超快降解有机污染物的研究

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近年来,光催化作用在环境治理和能源开发方面得到了普遍的关注,具有高效催化活性的光催化材料的研究开发也成为国内外研究的重点。目前的工作主要集中在两个方面:(1)对常用的光催化剂如TiO2和ZnO进行修饰改性,以提高其光催化活性;(2)开发新型光催化剂。光催化剂的催化能力与其结构和形貌密切相关,因此根据实际需求,设计合成具有一定结构和形貌的光催化材料成为研究的热点。其中,ZnO是一种具有压电特性的半导体材料,将其压电效应和光催化性能结合在一起,通过环境机械能的作用,可自主实现对污水中有机污染物的降解。本课题组之前的工作中,已经成功将ZnO的光催化活性和压电特性结合起来,实现了压电—光催化降解有机污染物,然而降解的效率不够高,需要进一步的研究来提高ZnO的光催化效率。本论文通过两步合成了Ag2O/四足ZnO纳米复合材料,并采用该纳米复合材料制备成了压电—光催化实验装置,得到了催化降解效率更快,循环性能更优异的光催化材料。主要结论如下:(1)Ag2O/四足ZnO纳米结构的合成:通过热蒸发法可大量制备四足氧化锌(T-ZnO)纳米结构,并将Ag2O纳米粒子均匀地负载在T-ZnO纳米结构的整个表面上。(2)Ag2O/四足ZnO纳米结构的光催化性能:在超声波和紫外线照射的共同作用下,Ag2O/T-ZnO纳米结构可以有效地共同使用机械能和紫外线的能量来快速降解有机污染物。以亚甲基蓝(MB)溶液为例,Ag2O/T-ZnO纳米结构(2 gL-1)可以在超声波(200 W)和紫外光照(50 W)的强度下,在2 min内完全降解MB水溶液(5 mg L-1)。这个降解速度远远高于以前的实验结果,在工业水平上具有作为污水处理技术的潜在应用。(3)Ag2O/四足ZnO纳米结构的压电—光催化机制:在这个过程中,T-ZnO纳米结构的压电电场和Ag2O/T-ZnO异质结的内置电场可以分离光生电子-空穴对,降低电子和空穴的复合速率,以此来提高光催化的活性。目前得到的实验结果可以促进污水处理技术在改善环境方面的发展。
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