ZnO包覆TiO2复合材料的制备及其能研究.doc

滨州学院本科毕业设计（论文）ZnO/TiO2复合材料的制备及其性能研究摘 要本实验以Ti(SO4)2、ZnSO4为原料，尿素为沉淀剂，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）为表面活性剂，采用非均相沉淀法制备ZnO包覆TiO2的复合材料。通过五因素四水平的正交实验制备包覆粉体，以其作为催化剂对甲基橙（MO）进行了光催化降解实验，根据催化效果获得制备包覆材料的最佳条件：沉淀剂用量为1:20，包覆比为3:1，反应温度为90，煅烧温度为450，煅烧时间为1h。实验表明：在最佳条件下制备包覆材料和纯的ZnO、TiO2粉体，其粒径分别为150nm、126nm、134nm。并用红外光谱分析仪、X-射线衍射仪对包覆粉体表征，其相关峰都与ZnO的接近，可知形成的包覆层较好。通过对MO紫外照射120min的降解实验知：氧化锌的光催化性能最好；在ZnO的包覆后，TiO2的降解率由73.5%提高到83%；并且甲基橙的浓度越小，降解效果越好。包覆产物在碱性（pH为10）条件下的光催化能力较中性条件下稍强；在pH为6.5，催化剂最佳用量为1g/L，光照180min的条件下光催化的降解率可达86.3%。关键词：ZnO；TiO2；包覆；非均相沉淀；光催化 Research on Preparation and Properties of ZnO/TiO2 Composite MaterialAbstractIn this experiment, with Ti (SO4) 2 and ZnSO4 for raw materials, urea as the precipitating agent and sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS) as surfactant, the ZnO coated TiO2 composite materials was synthesized by the method of heterogeneous precipitation. Through the orthogonal experiment with five factors and four levels, the best conditions to synthesize compound the material which have the strongest ability to catalyze orange (MO) were found out. The results of photocatalytic degradation experiments showed the optimal conditions were that the coated ratio of 3:1, the precipitant ratio of 1:20, the reaction temperature of 90 and calcined in 450 for 1 hour .We synthesized the coated material under the optimal conditions and use homogeneous precipitation method to prepare pure ZnO and TiO2. The particle sizes of them respectively were 150nm, 126nm, 134nm respectively. Through the characterization by Infrared spectrometer and X-ray diffractometer, the related peaks of the coated power were close to ZnO with no obvious peaks of TiO2 appeared which indicated the coated power was well done. Through the experiments of UV irradiation and degradation MO for 120min we knew that zinc oxide had the strongest photocatalysis ability, then followed by ZnO/TiO2 and the degradation rate of TiO2 was increased from 73.5% to 83% after coated. The smaller concentration of methyl orange made ability of catalyst stronger. Under the conditions of pH 6.5, the best dosage of catalyst 1g/L and lighting for 180min the degradation rate could reach to 86.3%.Key words: ZnO; TiO2; coated; heterogeneous precipitation; photocatalyticI滨州学院学士学位论文目 录引言1第一章 文献综述21.1 氧化锌简介21.1.1 氧化锌的结构21.1.2 氧化锌的性质与应用21.1.3 氧化锌制备方法21.2 二氧化钛简介31.2.1 二氧化钛的结构31.2.2 二氧化钛的性质与应用31.2.3 二氧化钛的制备方法41.3 氧化锌包覆二氧化钛复合材料的简介41.3.1 包覆体的结构与性质41.3.2 包覆机理41.3.3 表面包覆方法41.4 研究意义与内容51.4.1 选题意义51.4.2 研究内容5第二章 实验部分72.1 实验试剂72.2 实验仪器72.3 样品的制备72.3.1 最佳合成条件的确定72.3.2 样品的制备82.4 样品的表征82.4.1 粒径分析82.4.2 红外光谱分析92.4.3 XRD分析92.5 光催化性能测试92.5.1 空白实验102.5.2 复合粉体投加量对催化效果的影响102.5.3 甲基橙溶液pH值对催化效果的影响102.5.4 甲基橙的浓度对催化效果的影响102.5.5 光照时间对光催化降解率的影响102.5.6 不同材料降解率的比较10第三章 结果与讨论113.1 样品的表征113.1.1 粒径分析113.1.2 红外光谱分析123.1.3 XRD谱图分析123.2 光催化性能测试143.2.1 甲基橙的紫外吸收峰及标准曲线143.2.2 空白实验143.2.3 最佳合成条件的确定143.2.4 复合粉体投加量对光催化降解率的影响163.2.5 甲基橙pH对光催化性能的影响163.2.6 甲基橙浓度对复合粉体催化性能的影响173.2.7 光照时间对催化效率的影响183.2.8 合成粉体与纯样品催化能力的比较18结论与展望20参考文献21谢辞2322引言废水的处理一直是研究环境保护中倍受关注的课题，目前国内外处理废水的常用方法主要有吸附法、化学氧化法、溶剂萃取法、液膜法、离子交换法、光催化法和生化法等1。光催化法属于化学氧化法中的一种，具有效率高、成本低、无污染、可循环等优点2。许多材料都用于有机物的光催化，比较常用的有稀土化合物、氧化锆、氧化锌、氧化钛及其掺杂、包覆的复合材料3。包覆是通过对超细粉体进行适当的表面包覆处理，以改善颗粒的分散性和表面活性，使颗粒表面获得新的物理、化学、力学性能及新的功能4。常用的包覆方法有机械混合法、固相反应法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法、沉淀法、非均相凝聚法、非均相沉淀法等。ZnO和TiO2等原材料简单易得、价格便宜、无毒无害，且都具有良好的光催化性能。本实验通过非均相沉淀法制备ZnO包覆TiO2复合材料，以甲基橙（MO）为降解对象，研究ZnO包覆TiO2复合材料的合成条件及其光催化性能。第一章 文献综述1.1 氧化锌简介1.1.1 氧化锌的结构氧化锌分为锌矿型、盐岩矿型和闪锌矿型三种晶型结构。其中纤锌矿型的氧化锌热力学性质较稳定，通常制备的氧化锌都是纤锌矿型晶体结构。纤锌矿型晶体结构属六方晶系，为极性氧化物，其晶体结构如图1.1所示。图1.1 纤锌矿的晶体结构模型1.1.2 氧化锌的性质与应用ZnO属于N型半导体，内含有氧空位或锌间隙缺陷，能带宽为3.37eV，这使其在紫外可见光区域有很强的吸收能力。在紫外光线照射下，氧化锌能分离出自由移动的电子和空穴。这种带正电荷的空穴可以氧化空气中的氧分子生成活性氧离子，而活性氧离子具有极强的化学活性，能与大多数有机物发生氧化还原反应(包括细菌内的有机物)，从而具有光催化和杀菌的能力5。ZnO由于其本身优异的光电、压电、气敏、催化等性能，在很多领域具有广阔的应用和潜在应用，又由于ZnO制备工艺简单、成本低廉使得其无论在工业、民用还是高新技术和军事领域具有很好的应用前景。目前ZnO的主要应用领域有：防紫外线材料、消毒、催化材料、气敏性材料、发光材料等6。1.1.3 氧化锌制备方法氧化锌常用的制备方法有：水热法7、沉淀法8、微乳液法9等。(1) 水热法是指在密闭的反应器(高压釜)中，通过将反应体系加热到临界温度，产生高温、高压环境，使反应物反应合成产物的一种有效方法。(2) 淀淀法主要流程是先将相应的盐溶解在溶剂中(水、醇等)，然后加入沉淀剂，在一定的环境下反应，制备出相应的氧化物或者前驱物，前驱物经过锻烧即可得到所需的氧化物。(3) 微乳法的沉淀反应是在微乳液1-100nm的水核或油核中进行，通过限制晶粒的生长，可制备小粒径的ZnO。1.2 二氧化钛简介1.2.1 二氧化钛的结构在通常情况下制备的二氧化钛主要是锐钛矿型和金红石型，其中金红石型的热稳定性较高。二氧化钛在常温下是无定形态，煅烧温度为200左右时就会出现锐钛矿结构，温度升高到500左右，锐钛矿型将有部分转化为金红石型10。其晶体结构如图1.2所示：ba图1.2 二氧化钛的晶体结构 a金红石型；b锐钛矿型1.2.2 二氧化钛的性质与应用二氧化钛光催化、杀菌的原理与氧化锌相似：TiO2价带上的电子可以被激发跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴。随后电子和空穴与吸附在TiO2表面上的H2O、O2反应，生成高活性的羟基自由基和氧离子自由基，这些具有极强氧化作用的活性自由基，可使各种有机化合物11-13氧化分解。二氧化钛是N型半导体材料，具有良好的耐候性、耐腐蚀性、较高的化学稳定性、热稳定性，在功能陶瓷、半导体、传感材料、光电转换材料、催化材料中有广泛的应用14-15。又由于具有较强的紫外线吸收能力和遮盖能力，常用于化妆品行业。1.2.3 二氧化钛的制备方法二氧化钛常用的制备方法有：沉淀法、微乳法17、水热法18、溶胶-凝胶法等19。水热法和微乳法的原理与制备氧化锌的相同。1.3 氧化锌包覆二氧化钛复合材料的简介1.3.1 包覆体的结构与性质氧化锌包覆二氧化钛复合材料是氧化锌沉淀在二氧化钛表面上形成的一种壳核结构的粉末。通过表面包覆处理，可以改善颗粒的分散性、颗粒的表面活性及与其他物质之间的相容性等20-21。1.3.2 包覆机理对于包覆机理主要有如下几种观点22：(1) 库仑静电引力相互吸引：包覆剂带有与基体表面相反的电荷，靠库仑引力使包覆剂颗粒吸附到被包覆颗粒表面。(2) 化学键机理：通过化学反应使基体和包覆物之间形成牢固的化学键，从而生成均匀致密的包覆层。包覆层与基体结合牢固，不易脱落，但需要基体表面具备一定的官能团。(3) 过饱和度理论：有异相物质存在时，如溶液超过它的过饱和度就会有大量的晶核立即生成，沉积到异相颗粒表面形成包覆层，此时晶体析出的浓度低于溶液中无异相物质时的浓度。1.3.3 表面包覆方法常用的包覆方法有：固相反应法、水热法、微乳液法23、溶胶-凝胶法24、沉淀法25、非均相沉淀法26等。(1) 固相反应法是把几种金属盐或金属氧化物按配方充分混合、研磨，再进行煅烧，经固相反应直接得到超细包覆粉体。(2) 水热法是在高温高压的密闭体系中，使反应前驱体得到充分的溶解，达到一定的过饱和度，从而形成生长基元，进而成核、结晶制得复合粉体。(3)微乳液包覆法首先通过W/O(油包水)型微乳液提供的微小水核来制备需要包覆的超细粉体，然后通过微乳聚合对粉体进行包覆改性。(4) 溶胶-凝胶法是将溶质和溶剂水解或醇解反应得到的改性剂溶胶与被包覆颗粒均匀混合，经处理转变为凝胶后，在高温下煅烧得到外表面包覆有改性剂的粉体的方法。(5) 沉淀法是向含有粉体颗粒的溶液中加入沉淀剂，或者加入可以引发反应体系中沉淀剂生成的物质，使改性离子发生沉淀反应，在颗粒表面析出，从而对颗粒进行包覆。沉淀反应的包覆往往是在纳米粒子表面包覆无机氧化物，可以便捷地控制体系中的金属离子浓度以及沉淀剂的释放速度和剂量，特别适合对微纳米粉体进行无机改性包覆。(6) 非均相沉淀法(又称非均匀成核法和异质成核法)是通过对反应条件的调控，避免包覆层粒子均相成核(自身成核)，实现包覆层粒子以被包覆颗粒为其成核基体，在其表面异相成核、生长、形成包覆层的方法。与其他包覆方法相比，它具有粒径分布均匀，包覆层厚度和组分可调、工艺简单、经济等特点。1.4 研究意义与内容1.4.1 选题意义废水中有机物的处理一直是环境保护研究中倍受关注的课题。光催化废水中有机物是近年来发展起来的一种新型技术，具有高效、价廉、对环境友好、容易循环使用等优点。然而目前的光催化剂多是贵金属或稀土化合物，虽然具有高效的光催化能力，却污染环境或者价格昂贵。因此研究出高效、廉价的光催化材料对于水的净化处理有着不言而喻的意义。再者，通过查阅的相关文献知，到目前为止，报道的关于氧化锌包覆二氧化钛复合材料的只是研究其光屏蔽、紫外吸收能力，未见有关于这种包覆材料的光催化性能的报道。最后，作为包覆原材料氧化锌和二氧化钛，简单易得、价格便宜、无毒无害，且都是N型半导体，具有良好的光催化性能，所以可知合成的包覆材料材料一定具有光催化性能。1.4.2 研究内容(1) 文献综述通过文献综述，了解氧化锌/二氧化钛材料的结构、性质、应用、制备方法以及国内外的研究现状。由于目前尚未有关于氧化锌包覆二氧化钛材料及其光催化性能的报道，因此，通过查阅文献从其他材料的包覆、光催化、非均相沉淀的实验中提取的相关资料，找到本实验的原理、条件及操作方法。(2) 实验内容通过正交实验确定制备出催化性能最好的复合粉体的最佳实验条件；在最佳条件下制备包覆材料和纯的ZnO、TiO2；通过降解甲基橙（MO），对比三者的催化效果；根据单因素试验确定复合粉体用量、甲基橙pH值、甲基橙浓度及光照时间对复合粉体降解甲基橙的影响。第二章 实验部分2.1 实验试剂实验所用试剂如表2.1所示：表2.1 实验所用试剂试剂名称分子式纯度生产厂家硫酸钛Ti(SO4)2分析纯莱阳经济技术开发有限公司硫酸锌ZnSO4分析纯莱阳经济技术开发有限公司尿素CO(NH2)2分析纯天津市凯运化学试剂有限公司SDBSC18H29NaO3S分析纯江苏宜兴型远精细化工厂甲基橙C14H14N3SO3Na分析纯天津市恒兴化学试剂制造有限公司氢氧化钠NaOH分析纯天津市恒兴化学试剂制造有限公司2.2 实验仪器实验所用仪器如表2.2所示： 表2.2 实验所用仪器设备名称仪器型号生产厂家电子天平AUT120上海精密科学仪器有限公司紫外可见分光光度计752型上海精密科学仪器有限公司粒径分析仪Zetasizer Nano马尔文仪器有限公司傅立叶变换红外分析仪NICOLET380美国热电公司15W紫外光灯UV-C LAMP广东雪莱特光电科技股份有限公司双频数控超声波清洗器KQ-200UDE昆山市超声仪器有限公司马弗炉SRJX江苏南通农业科学仪器厂X射线衍射仪TS-300丹东通达仪器有限公司2.3 样品的制备2.3.1 最佳合成条件的确定表2.3为设计的五因素四水平的正交实验表，影响合成五个因素分别是尿素用量、包覆比、反应温度、煅烧温度、煅烧时间。其中，尿素用量是指Ti和Zn离子总和的摩尔量与尿素的摩尔比；包覆比指Zn、Ti离子量的摩尔比。实验的流程图如图2.1所示。尿素用量包覆比反应温度/煅烧温度/煅烧时间/h11:52.75:170400121:103.:180450231:153.25:190500341:203.5:11006003.5表2.3 正交实验的因素及水平表降解率白色粉末降解MO煅 烧研 磨70烘干2h过滤、洗涤白色沉淀硫酸锌和尿素的混合溶液水浴加热并搅拌2h缓慢加入硫酸钛溶液图2.1 包覆材料制备流程图2.3.2 粉体的制备分别在最佳条件下制备包覆材料和纯氧化锌、二氧化钛粉体。包覆材料的制备流程图与图2.1相同，具体条件为最佳反应条件；图2.2(a)为ZnO粉体的制备流程图；图2.2(b)是TiO2粉体的制备流程图。2.4 样品的表征2.4.1 粒径分析粒径分析主要是测定粉体颗粒的大小，得到粉体的粒径数据。取微量粉末加入到盛有适量蒸馏水的小烧杯中，超声分散15min，用激光粒度分析仪分析其粒径。2.4.2 红外光谱分析将最佳条件下制备的包覆粉体用傅立叶红外分析仪进行红外分析，即将粉体与溴化钾按1：100的比例碾成粉末，然后混合、压片、制样。根据红外吸收峰的位置、强度可得到粉体中所含基团的信息。ZnO粉末450煅烧1h研 磨70烘干2h过滤、洗涤白色沉淀硫酸锌和尿素1:20的混合溶液90水浴加热并搅拌2h图2.2(a) ZnO制备流程图尿素溶液搅拌902h硫酸钛溶液450煅烧1h70烘干2h过滤、洗涤白色沉淀研磨TiO2粉体图2.2(b) TiO2制备流程图2.4.3 XRD分析取0.5g左右的待测粉末用研钵研细，放在样品槽内，用玻璃片压实后，放入X射线衍射仪内进行测定。根据其衍射峰的位置、强度得到样品中所含组分的信息。2.5 光催化性能测试本实验以甲基橙为目标降解物，在100mL小烧杯中加入50mL甲基橙，其初始浓度为10mg/L，投入一定量合成粉体，在磁力搅拌的作用下，整个系统形成悬浮体系，在15W紫外光源照射下对甲基橙进行光催化降解实验。每隔30min取一次样，以3500rad/s离心分离15min后，取澄清液于最大吸收波长处读取吸光度并计算降解率。甲基橙的降解率R的计算公式为: (2-1)式中，A0为甲基橙的初始吸光度；Ai为一段时间光催化后的甲基橙的吸光度。2.5.1 空白实验在15W紫外灯照射下，甲基橙浓度为10mg/L，不加入任何催化剂，照射120min，计算其降解率。2.5.2 复合粉体投加量对催化效果的影响在15W紫外灯照射下，甲基橙浓度为10mg/L，光催化时间120min，复合粉体加入量分别为每升0.4g、0.6g、0.8g、1g、1.2g时，考察甲基橙溶液降解率的不同，以确定复合粉体的最佳投入量。2.5.3 甲基橙溶液pH值对催化效果的影响在15W紫外灯照射下，甲基橙初始浓度为10mg/L，pH值分别设为6.5、10，光照时间120min，复合粉体加入量为上述实验最佳值。由于甲基橙溶液呈酸性时，颜色会变红加深，故不考虑酸性条件的催化实验。2.5.4 甲基橙的浓度对催化效果的影响分别配制初始浓度为5mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L的甲基橙溶液，向其中加入最佳用量的包覆粉体，在pH为6.5、15W紫外灯照射下进行光催化实验。2.5.5 光照时间对光催化降解率的影响在15W紫外灯照射下，甲基橙溶液初始浓度为10mg/L，加入最佳量的合成粉末，考查催化降解效果与时间的关系。2.5.6 不同催化剂降解率的比较在三份的同样甲基橙溶液中分别加入包覆粉体、ZnO及TiO2，其中甲基橙溶液浓度为10mg/L，pH为6.5，用15W紫外灯照射120min，考查不同催化剂对甲基橙催化降解的效果。催化剂的加入质量都为上述实验中确定的包覆粉体最佳用量。第三章 结果与讨论3.1 样品的表征3.1.1 粒径分析表3.1是正交实验所制备出粉体的粒径。表3.2是在最佳条件下制备的包覆粉体和纯的氧化锌以及二氧化钛的粒径。由表3.2的数据可知，在最佳条件下制备的样品粒径明显减小，但都大于纯样品的粒径。表3.1 正交实验制备的包覆粉体的粒径尿素比包覆比反应温度/煅烧温度/煅烧时间/h粒径/d.nm11:52.75:170400127321:53:1804502197.531:53.25:190500340941:53.5:11006003.530551:102.75:1805003.5150.261:103:1706003223.171:103.25:11004002333.581:103.5:1904501357.591:152.75:1906002493.4101:153:11005001183.2111:153.25:1704503.5434.4121:153.5:1804003431.9131:202.75:11004503403.1141:203:1904003.5141.8151:203.25:1806001208.5161:203.5:1705002250.8表3.2 最佳条件下复合粉体与纯样品的粒径粉体粒径/d.nm氧化锌包覆二氧化钛150氧化锌126二氧化钛1343.1.2 红外光谱分析图3.1是在最佳条件下制备的包覆粉体的红外谱图。由图知在3507.00和1634.67cm-1处出现吸收峰是由水分子O-H键的弯曲振动引起的，1100cm-1处为硫酸根的吸收峰，说明包覆产物中存在着硫酸根。在700和523cm-1处的特征吸收峰是Ti-O键和Zn-O键的伸缩振动引起的27-28。由图可见，Zn-O键的吸收峰较Ti-O键更明显，说明ZnO的包覆较好。图3.1 包覆粉体的红外光谱图3.1.3 XRD谱图分析图3.2(a)为包覆粉体的XRD图谱，图3.2(b)为ZnO粉体的XRD图谱。由XRD可知，包覆粉体的最大峰处对应的2theta角为36.4，与ZnO在(101)处的最大峰2theta角35.4相近；包覆粉体的特征峰大都能从ZnO的XRD图谱中找出。由此推断，形成的ZnO包覆层较为理想。图3.2(a) 包覆粉体的XRD图谱图3.2(b) ZnO粉体的XRD图谱3.2 光催化性能测试3.2.1 甲基橙的紫外吸收峰及标准曲线(1) 甲基橙最大紫外吸收波长的确定图3.3(a)为不同波长下10mg/L的甲基橙溶液的吸光度图。其最大吸光度（0.748）处对应的波长为462nm，故甲基橙的紫外最大吸收波长为462nm。(2) 标准曲线的绘制图3.3(b)为甲基橙在最大吸收波长426nm下，不同浓度与其对应的吸光度的关系图。由图可知，甲基橙的标准曲线方程Y=0.0514+0.06971X。3.2.2 空白实验在pH为6.5的条件下做一空白实验作为参照，120min后的降解率达8.6%。其降解率随时间的变化见图3.8。3.2.3 最佳合成条件的确定用正交实验制的样品催化pH值为6.5的甲基橙溶液、催化剂用量为1g/L，以确定催化效果最好时的合成条件，反应条件及粉体粒径如表3.1所示。由于样品的粒径都很大（见表3.1），均值只考虑了光催化性能的影响。由表3.3可知最佳的制备条件：尿素比为1：20、包覆比为3.5：1、反应温度为90、煅烧温度为450、煅烧时间为1h。图3.3(a) 10mg/L甲基橙不同波长对应的吸收峰 图3.3(b) 甲基橙的标准曲线表3.3 正交实验数据尿素比包覆比反应温度/煅烧温度/煅烧时间/h催化效率%11:52.75：170400110.521:53:180450215.431:53.25:190500316.441:53.5:11006003.57.651:102.75:1805003.534.761:103:170600313.371:103.25:1100400233.881:103.5:190450171.691:152.75:190600214.8101:153:1100500135.6111:153.25:1704503.526.3121:153.5:180400335.6131:202.75:1100450354.8141:203:1904003.565.4151:203.25:180600135.9161:203.5:170500237.3K114.97528.70021.85036.32538.400K238.35032.42530.40042.02525.325K328.07528.10042.05031.00030.025K448.35040.52535.45020.40036.000R33.37512.42520.20021.62513.0753.2.4 复合粉体投加量对光催化降解率的影响在甲基橙溶液pH值为6.5，15W紫外光照射的条件下加入不同量的包覆粉体催化10mg/L的甲基橙溶液，当催化剂用量从0.4g/L增加到1.2g/L时降解率先增大后减小，存在最佳用量为1.0g/L，其催化120min后降解率可达到83%。图3.4为催化剂用量不同时的催化效果图。因为催化降解一定浓度的甲基橙溶液，所需的活性中心数量是一定的，活性中心较少时，降解反应较慢；当光催化剂用量过多时，对紫外光的反射和散射作用也增强，从而影响紫外光的利用率，导致降解效率下降。图3.4 不同催化剂用量下的催化效果3.2.5 甲基橙pH对光催化性能的影响在甲基橙浓度为10mg/L，催化剂浓度为1g/L，15W紫外光照射的条件下，分别对不同pH值下（pH值分别是6.5和10）进行催化降解。由于酸性条件下甲基橙的颜色会加深，影响其吸光度，故不进行酸性条件下的实验。图3.5是不同pH值下催化剂的降解效果图。由图可以看出，当溶液pH=10时， 甲基橙降解较快，光照120min后降解率达86.5%；而同时近中性的甲基橙的溶液降解率为83%。两者的催化效率接近，可认为pH值对催化效率的影响较小。图3.5 不同pH值下催化剂的降解效率3.2.6 甲基橙浓度对复合粉体催化性能的影响在15W的紫外灯照射下，催化剂的用量都为浓度为1g/L、催化pH值为6.5时，不同浓度的甲基橙溶液中，其浓度分别为5mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L。图3.6 甲基橙浓度对光催化效果的影响实验结果如图3.6所示。由图可知，随着甲基橙浓度的增加，降解率递减。当甲基橙浓度从5mg/L增加到20mg/L时，降解率变化不大，由87%降到75.5%；当甲基橙浓度大于30mg/L时，降解率明显降低；当甲基橙浓度为40mg/L时，降解率只有15.9%。这是因为甲基橙浓度增大，颜色加深，影响了透光性，降低了催化效果。因此本实验用10mg/L的甲基橙溶液来做催化实验，比较合理。3.2.7 光照时间对催化效率的影响在pH为6.5，甲基橙浓度为10mg/L，催化剂浓度为1.0g/L的条件下，15W紫外光照条件下，考察光照时间对合成粉体的催化效率的影响。图3.7是降解率随时间的变化图。由图可知，光照时间为120min时，降解率达到83%；当光照时间为180min时，降解率达到86.3%，提高较少；继续延长光照时间至240min时，其降解率为87%，变化不大。可见最佳反应时间为120min。图3.7 光照时间对甲基橙降解的影响3.2.8 合成粉体与纯样品催化能力的比较在相同催化条件下：15W的紫外灯照射、pH=6.5、甲基橙浓度为10mg/L、粉体加入量为1g/L，三种样品包覆粉体、氧化锌、二氧化钛降解率随时间变化如图3.8所示。由图可知，氧化锌的催化效果最好，其降解率达到93.7%，包覆粉体的催化效果次之为83%，二氧化钛的降解率最差只有73.5%。由此可见，通过ZnO的包覆，提高了TiO2的光催化能力。可能由于包覆粉体的粒径都比纯ZnO的略大，因此导致两者的光催化效果存在一定的差异。图3.8 复合粉体、氧化锌、二氧化钛及空白试验降解率的比较结论与展望本论文用非均相沉淀法制备氧化锌包覆二氧化钛粉体，并研究了其光催化性能。实验结果表明：1. 通过五因素四水平正交实验制备包覆材料，根据其催化甲基橙的效果获得制备包覆材料的最佳条件：尿素比为1：20、包覆比为3.5：1、反应温度为90、煅烧温度为450、煅烧时间为1h。2. 对最佳条件下制得的粉体进行表征，通过粒径分析，获得包覆粉体的直径为150nm；通过红外分析表明，TiO2所对应的吸收峰强度明显小于ZnO的吸收峰；另外XRD分析表明，包覆粉体的特征峰与ZnO的特征峰相近。由以上分析可知，ZnO的包覆层做的比较成功，且包覆体的粒径较小。3. 通过对甲基橙紫外照射120min的一系列降解实验表明：甲基橙的浓度越小，降解效果越好。包覆粉体在pH为6.5的条件下光降解时，催化剂最佳用量1g/L，降解率为83%；延长光照时间至180min后降解率可达到86.3%，继续延长光照时间，降解率变化不大；同样条件下，在pH为10时，光催化能力略有加强，为86.5%。4. 不同材料的光降解性能的比较：在同样的条件下，氧化锌的光催化性能最好，达到93.7%；TiO2的降解率在ZnO的包覆后由73.5%提高到83%。同时，由于各方面的原因，实验还有很多不完美、值得进一步研究的地方：1. 通过单因素实验，找出更加精准的包覆条件；2. 由于本实验的制备的粉体粒径较大，可以通过控制条件制备出纳米级的粉体；3. 研究包覆粉体作为光催化剂的使用寿命是否比纯样品的有所提高。参考文献1 邵绍燕, 楚英豪, 姚远等. 纳米TiO2在环境应用方面的研究进展J. 环境科学与技术, 2008, 31(3): 43-46.2 贺北平, 王占生, 张锡辉. 半导体光催化有机物的研究现状及发展趋势J. 环境科学, 1994, 15(3): 80-83.3 柯莉, 宋武林. 纳米粉体表面包覆技术的研究进展J. 材料导报, 2010, 24(15): 103-106. 4 宋杰光, 纪岗昌, 李世斌. 粉体包覆技术的研究进展J. 材料导报, 2009, 23(13): 164-167.5 钟己未, 万益群, 付敏恭. 纳米氧化锌光催化降解有机染料性能的研究J. 分析实验室, 2006, 25(12): 30-34.6 张振逵. 超细氧化锌的性质与用途J. 无机盐工业, 1995, 5: 33-35.7 Wahab Rizwan, Ansari S.G.,Kim Y.S. 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