天然闪锌矿光催化还原二氧化碳实验研究

利用电子探针(EPMA),X射线光电子能谱(XPS),拉曼光谱(Raman)和紫外可见漫反射(UV-vis DRS)对天然闪锌矿成分、物相与能带结构进行了表征,发现Fe,Cu,Ga等杂质金属可抬升闪锌矿价带能级位置,减小禁带宽度,并在其禁带中引入施主与受主能级,增强闪锌矿的光吸收范围.在pH为6的厌氧条件下,光照9h后天然闪锌矿光催化还原CO_2产生的甲酸浓度达到12mg·L^(-1),高于合成ZnS的10mg·L^(-1).当NaH_2PO_2与Na_2S作为复合空穴捕获剂时,CO_2光催化还原速率较由Na_2S作为空穴捕获剂的体系提升45%.在此基础上,根据实验介质环境下闪锌矿表面荷电特性,探讨了闪锌矿对CO_2的吸附方式影响CO_2还原效率并降低CO_2转化为CO_2^-阴离子能垒的微观机制.研究结果可扩展天然半导体矿物作为低成本、大产量光催化剂在CO_2有机转化领域的应用范围.

天然闪锌矿矿物学特征与光催化性能

本文采集了我国19个产地的天然闪锌矿进行矿物学和光催化性能研究。样品皆为立方Zn S结构,化学成分变化较大,其中Fe对闪锌矿中Zn的替代范围为0.235%~14.826%(质量分数,下同),Cd对闪锌矿中Zn的替代范围为0.133%~1.576%。闪锌矿中Fe含量由低到高,导致颜色由浅变深直至呈黑色,半导体禁带宽度由大变小,估算获得天然闪锌矿的禁带宽度范围为3.18~2.28 e V,明显低于纯Zn S禁带宽度3.68 e V,光催化响应均在可见光范围。验证光催化实验结果表明含Fe较低、含Cd较高的天然闪锌矿可见光催化还原降解甲基橙的效果较佳,如可见光下1 g/L闪锌矿样品(含铁4.262%,含镉1.576%)对30 mg/L甲基橙催化反应4 h后的脱色降解率达到82.11%。天然闪锌矿中Fe含量影响着禁带宽度和光响应范围,Cd含量影响着光催化性能,为高附加值开发利用贱金属资源天然闪锌矿提供了科学依据。

热处理改性天然闪锌矿的可见光催化性能研究

天然闪锌矿是一种具有良好可见光催化性能的半导体光催化剂,然而其结构缺陷会成为光生电子的捕获阱,导致其光催化反应效率降低。为了进一步提高其可见光催化效率,本文在空气气氛下对天然闪锌矿进行了500～1 200℃的热处理改性实验研究,并利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)对热改性后样品的半导体物理化学性质进行了初步的表征分析;然后以甲基橙为目标降解物进行了热处理样品的光催化实验研究。研究结果显示,空气气氛下的热处理随着温度的逐渐升高,闪锌矿物相先转变为氧化硫酸锌,再转变为红锌矿和锌铁尖晶石,到1 100～1 200℃时样品完全转变为红锌矿-锌铁尖晶石二元复合半导体光催化剂,此时样品在可见光下对甲基橙的降解率从原样的54.2%提高到99.7%,1 100～1 200℃改性后样品的可见光催化性能最好。

天然含铁闪锌矿的可见光催化还原活性研究

通过电子探针(EMPA)、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射谱(DRS)、光致发光谱(PL)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和霍尔效应(Hall-effect)等测试手段对天然闪锌矿样品的半导体物理化学性能进行了表征分析。分析结果认为,天然闪锌矿良好的可见光响应性能主要源自其晶格内丰富的类质同像替代离子。此外,样品中的变价元素Fe能够参与价带光生空穴的捕获,提高导带光生电子的利用率,从而提高其光催化活性。样品中丰富的缺陷也有利于光催化活性的提高,大量的解理面和裂开面能够提供较完整的晶面增加反应活性点位,空位缺陷和晶格膨胀畸变等可以提高光生电子空穴对的分离效率。与其特殊的物理化学性质相符,天然闪锌矿光催化还原降解甲基橙的实验证明了其较高的可见光催化还原活性。本研究结果也预示着天然半导体矿物闪锌矿作为一种新的低成本、高效率的可见光催化材料将在环境污染治理领域具有一定的应用前景。

天然闪锌矿光催化协同Acidithiobacillus ferrooxidans生长及抑制自身分解作用实验研究

对天然闪锌矿光催化协同下的Acidithiobacillus ferrooxidans生长,以及此过程中天然闪锌矿的光催化作用对其自身分解的影响进行了研究。结果表明,天然闪锌矿的光催化作用能够将光能以电子的形式转移给A.ferrooxidans并且促进了其生长,这一过程以Fe2+/Fe3+这一氧化还原对作为媒介;有光照组的A.ferrooxidans细胞浓度达到了8×108 cell/mL,而无光照和体系无电流的2组对照组A.ferrooxidans细胞浓度分别为6×108 cell/mL和4.95×108 cell/mL。通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定3组不同条件实验体系中Zn2+的溶出量可以发现,在光照条件下Zn2+的溶出量只有3.5×10-6,而无光照条件下Zn2+溶出量达到了5×10-6。天然闪锌矿光催化作用一方面可以促进A.ferrooxidans的生长,另一方面也能够抑制其自身的分解和金属离子向水体中的释放。研究结果为酸性矿山废水地区抑制硫化物矿物溶蚀提供了新的思路。

天然闪锌矿原位高温X射线衍射研究

对天然闪锌矿进行了原位高温X射线衍射实验研究,结果表明:闪锌矿受热膨胀,27～675℃温度范围内其膨胀系数为25.61×10-6℃-1;随着温度的升高,在543℃时产生中间物相Zn3O(SO4)2,并分解产生红锌矿ZnO;在797℃时中间物相完全消失,同时出现尖晶石结构的ZnFe2O4;加热至1160℃时的产物为ZnO和ZnFe2O4。实验表明,天然闪锌矿的热改性可产生一定比例的红锌矿(ZnO),其与闪锌矿一起形成二元复合半导体。在光的激发下,该半导体体系产生的光生载流子由一种半导体注入另一种半导体,降低了光生电子-空穴对的复合几率,提高其光催化活性。本文的研究可为热改性提高天然闪锌矿光催化活性提供理论依据。

天然闪锌矿可见光催化降解CCl_4实验研究

研究了天然闪锌矿可见光催化还原降解四氯化碳(CCl4)的能力,并系统探讨了光源、闪锌矿用量、电子供体和溶解氧对N,N-二甲基甲酰胺有机体系中CCl4降解效果的影响,获得了该光催化反应体系的最佳实验条件。在可见光下,闪锌矿用量为1g/L,电子供体为甲酸0.5mol/L,溶解氧含量为空气平衡时,经8h光照反应,CCl4降解率达91.48%。通过GC-MS对降解产物进行分析,提出了天然闪锌矿在改有机体系中可见光催化还原降解CCl4的机理。

闪锌矿的光电导现象及对电子探针分析精度的影响

低铁闪锌矿(含Fe量在1%以下)在阴极射线下的发光现象,是众所周知的。然而,它所存在的光电导现象及对电子探针分析值的影响,却往往被人们所忽视。实际上,低铁天然闪锌矿是一种半导体光电物质,其电阻率随入射光强度的变化而变化。