Ag沉积CuO-ZnO纳米复合材料的溶胶-凝胶合成及光催化性能研究

利用太阳能光催化降解处理水污染,是修复环境相关成本最小的一种可靠方式,但由于光降解过程复杂,开发一种高性能、可回收、低成本的光催化系统十分具有现实意义。本工作采用简易的溶胶-凝胶法合成了一种Ag沉积CuO-ZnO纳米光催化剂,使用高浓度铜离子掺杂的方式获得了CuO-ZnO异质结构。通过多种测试手段对样品进行表征,X射线衍射(XRD)测试证实了CuO与Ag的存在。扫描电子显微镜(SEM)测试表明ZnO颗粒形貌受Ag沉积的影响。X射线光电子能谱(XPS)证明Ag的沉积影响了表面Cu^2+向Cu^+的转变。在光照情况下,少量(2%,摩尔分数)Ag修饰的CuO-ZnO对有机污染物亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)水溶液的光催化降解效率较未修饰样品更高。光催化性能的改善主要归因于多组分体系中可见光利用率的提升、光生电荷的有效分离、形貌结构的优化及表面化学态的转变,三元复合光催化体系中优异的光催化性能、低贵金属使用量和可回收性,为水污染修复提供了一种有效途径。

用于水处理的纳米技术和纳米材料

纳米技术和纳米材料在污水处理中极具优势.用于污水处理的纳米技术所涉及的主要纳米结构包括有纳米吸附剂,纳米膜,纳米催化剂,生物活性纳米颗粒,分子印迹聚合物等,它们能够去除有毒金属离子,致病微生物,水中有害的有机、无机溶质等.纳米材料具有高的比表面积,能够有效消除污水中的有毒金属离子,降解水中有害的有机溶质等.对现有的用于污水处理的纳米技术和半导体纳米材料进行了简单介绍,重点评述了半导体纳米催化剂和相关的纳米复合材料光催化剂的研究和进展.

我国秸秆纤维基环保节能墙体材料的研究与应用进展

秸秆纤维基环保节能墙体材料指的是以农作物秸秆为主要原料,配以加强材料和黏合材料,按一定配方在反应池里经过物理反应和化学反应,脱模后自然凝固制成的具有轻质、节能、环保等适合现代建筑要求的建筑材料。简要介绍了我国秸秆纤维基环保节能墙体材料的研究和应用现状,并简单分析了其发展前景作。

Fe掺杂的Ag-ZnO纳米复合材料的合成及光催化性能

采用高分子网络凝胶工艺制备了Fe掺杂的Ag-ZnO系列纳米粉体。通过XRD、SEM、XPS、PL和UV-vis对所制备样品的微结构和光学性质进行了表征,随后以甲基橙和亚甲基蓝为模拟污染物,分别在模拟紫外光和模拟太阳光下对所制备的样品进行光催化测试。结果表明,Fe掺杂后,ZnO晶粒尺寸有所减小,且纳米Ag颗粒的分散性得到改善。样品中的Fe以Fe^(2+)和Fe^(3+)形式共存,随着Fe掺杂浓度的增加,ZnO晶格中的铁离子由+2价向+3价转变,导致PL光谱中蓝光发射峰强度降低。光催化测试结果表明样品Zn_(0.96)Fe_(0.01)Ag_(0.03)O具有最好的光催化活性,结合样品的微结构和光学性质对其光催化机理进行了讨论。

具有高催化活性的Ag复合Sm∶ZnO纳米复合材料的制备、表征以及光催化机理研究

本工作同时利用稀土元素掺杂和贵金属复合的独特性质对ZnO基复合材料的光学性质以及光催化性能进行调制,采用简便的高分子网络凝胶一步法成功制备了Ag复合Sm∶ZnO纳米复合光催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对Ag复合Sm∶ZnO复合光催化剂进行表征,结果表明,该复合光催化剂具有较好的结晶性和丰富的表面缺陷,Sm以Sm^(3+)的形式进入了ZnO晶格,而Ag以单质的形式复合在ZnO表面。通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、光致发光光谱(PL)和表面光电压(SPV)的测试分析表明,Sm掺杂在提升Ag/ZnO对可见光的利用率的同时,还能更好地抑制光生载流子的复合。以亚甲基蓝(MB)作为模拟污染物的光催化实验表明,在模拟太阳光条件下,光照10 min,Ag复合Sm∶ZnO可完全降解MB,其光催化效率是Ag/ZnO的2.44倍。五次循环降解实验验证了其光催化效率的稳定性。对光催化机理的分析表明,Ag复合Sm∶ZnO复合材料光催化性能的提升得益于Sm掺杂和Ag复合的协同效应。一方面,Sm、Ag的同时引入能使样品具有较好的结晶性和丰富的表面缺陷;另一方面,Sm掺杂引入的杂质能级加上Ag复合产生的表面等离子体共振效应在提升催化剂对可见光吸收的同时,也更利于光生电子的有效迁移,实现了光生载流子的更有效分离。

模拟太阳光照射下Fe掺杂与Ag复合ZnO纳米材料的光催化性能研究

利用高分子网络凝胶法制备了Fe掺杂与Ag复合的ZnO纳米复合材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光电子能谱(XPS)研究分析了样品的微结构和形貌与成分变化,采用光致发光(PL)和紫外-可见吸收谱(UV-vis)对样品的光学性质进行表征.在模拟太阳光照射下,以亚甲基蓝为光催化反应模型化合物,考察了掺杂对光催化活性的影响.无论是单复合Ag还是Fe掺杂后再Ag复合,光催化性能都优于ZnO.特别是同时进行Fe掺杂与Ag复合的ZnO,其光催化性能显著提高.结合微结构表征和光学测试,对ZnO及掺杂ZnO的光催化机理进行了讨论.

Mo_(2)C二维材料晶格热导率的第一性原理研究

MO_(2)C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对MO_(2)C二维材料声子输运的理解非常必要.文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维MO_(2)C材料的晶格热导率.研究表明,室温下二维MO_(2)C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20和5.04 W/mK.计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献.还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维MO_(2)C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响.

不同合成过程对溶胶-凝胶法制备的ZnO/Ag纳米复合材料光催化性能的影响

以乙酸锌、硝酸银为前驱体,二乙醇胺作为稳定剂,利用溶胶-凝胶法分别采用一步法和两步法制备得到ZnO以及ZnO/Ag纳米复合粉体。所有ZnO/Ag复合物中Ag的含量均为3%(摩尔分数)。对所制备样品的结构和光学性质通过XRD、SEM、TEM、XPS、PL、UV-vis进行了表征,进而以甲基橙为模拟污染物进行了光催化测试。结果表明,不同方法制备得到的ZnO/Ag纳米粉体晶粒均匀,无明显团聚现象,面心立方结构的金属Ag吸附在纤锌矿结构的ZnO表面形成异质结。与纯ZnO相比,掺Ag极大地改善了样品在紫外光下的光催化活性。对不同合成工艺的比较表明,用溶胶-凝胶一步法制备的ZnO/Ag复合物的光催化活性最高,经紫外光照射70min可完全降解甲基橙。

ZnO纳米复合材料的高分子网络凝胶法合成与光催化性能研究

采用简易的高分子网络凝胶法首先制备了微量Ag掺杂的ZnO,进而分别复合CuO、Mn_(2)O_(3)和Ag,得到了Zn(Ag)O-CuO、Zn(Ag)O-Mn_(2)O_(3)和Zn(Ag)O-Ag纳米复合材料.X射线衍射(XRD)测试表明氧化物或Ag的复合使ZnO的结晶性变差;扫描电镜(SEM)观察到氧化物(CuO、Mn_(2)O_(3))的复合使ZnO颗粒尺寸变大,而Ag的复合则使颗粒变小且更均匀;X射线光电子能谱(XPS)揭示氧化物(CuO、Mn_(2)O_(3))的复合引入更多的氧空位缺陷,而Ag的复合则晶格氧更多;表面光电压(SPV)光谱证实Zn(Ag)O-Ag比Zn(Ag)O-CuO、Zn(Ag)O-Mn_(2)O_(3)的光生载流子分离能力更强.在模拟太阳光照射下,Zn(Ag)O-Ag对亚甲基蓝降光催化解速率最高,归因于较小的颗粒尺寸与良好ZnO-Ag异质结的形成.虽然CuO和Mn_(2)O_(3)复合能改善ZnO的可见光吸收能力,但其较大的颗粒和较差的光生载流子分离能力使光催化性能提高不明显.

溶胶-凝胶法和高分子网络凝胶法合成光催化ZnO纳米晶的比较研究

通过对比溶胶-凝胶法和高分子网络凝胶法合成的ZnO纳米晶的微结构和光催化活性来探讨不同制备方法对光催化剂的影响,用XRD、TEM、SEM、XPS和PL对所制备样品的晶体结构、形貌、化学成分和光学特性进行了研究。结果表明,随着温度的升高,两种方法制备的样品其晶粒尺寸都增大,颗粒团聚现象改善,化学吸附氧浓度增大,缺陷减少,结晶性变好。比较发现,煅烧温度为650℃,采用高分子网络凝胶法制备的光催化剂的光催化效果更好。分析认为,高分子网络凝胶法更适合ZnO光催化剂的合成。

溶胶-凝胶法制备Co,Cu共掺杂ZnO薄膜结构及光学特性

采用溶胶-凝胶法在玻璃基片上制备了纯ZnO薄膜和高浓度Cu掺杂的Co,Cu共掺ZnO(Zn0.90CoxCu0.1-xO,x=0.01,0.03,0.05)薄膜。扫描电镜观察到无论是纯ZnO还是掺杂ZnO薄膜表面都有均匀分布的颗粒,但是在Cu含量较高时均匀性更好。X射线衍射揭示所有样品都具有纤锌矿结构,但是Cu掺杂量的增加使晶格常数略有减小,而晶粒尺寸却略有增大。XPS测试结果表明样品中Co离子的价态为+2价和+3价,Cu离子的价态为+2价和+1价共存。室温光致发光测量在所有样品中均观察到较强的紫外发光峰、蓝光双峰和较弱的绿光发光峰。

退火温度和涂膜层数对溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜微结构及光学特性的影响

采用溶胶-凝胶法在玻璃基片上制备了ZnO薄膜,研究了退火温度和涂膜层数对ZnO薄膜结晶性和光学特性的影响。扫描电镜(SEM)结果表明,退火温度的升高使得薄膜致密性和均匀性均得到改善。旋涂10层以上的薄膜其表面形貌明显要好于旋涂5层的薄膜样品,但旋涂10层和20层的薄膜其形貌和微结构差异并不显著。XRD图谱表明所有样品都具有纤锌矿结构,随着热处理温度的升高,各衍射峰强度增大,晶粒尺寸变大。光致发光(PL)测量显示,退火温度越高,涂膜层数越少,其PL谱发光强度越强。紫外-可见透过谱发现,涂膜层数越少,透射率越高;而提高退火温度也有助于改善薄膜透射率。结合已得到的微结构信息,对观察到的光学性能进行了合理解释,综合认为旋涂10层并在600℃退火是溶胶凝胶法制备ZnO薄膜的最佳生长条件。

H2分子在Al17q（q=-3～+3）表面吸附的电荷效应

Al17团簇具有明显的曲率变化,其几何结构与宏观金属尖端类似.利用密度泛函理论研究H2分子与Alq17(q=-3^+3)团簇离子的相互作用,分析电荷效应对几何结构、稳定性和电荷布居的影响.通过对(Al17H2)q(q=-3^+3)吸附体系的吸附结构、吸附能、振动频率和Mulliken布居的计算与分析,发现H2分子在Alq17(q=-3^-1)阴离子吸附体系上倾向于垂直吸附在曲率较大的尖端位置,并且为顶位吸附,这与宏观的尖端效应类似,但在中性和阳离子吸附体系上,随着电子数的减少,H2分子倾向于平行吸附在曲率相对较小的位置,且主要为桥位和穴位吸附.究其原因,认为阴离子吸附体系中库仑排斥占主导地位,而阳离子吸附体系中电子轨道重叠占据主导作用.吸附稳定性和电荷分布方面,研究发现H2分子在Al3-17表面具有最大的吸附能,在Al2+17表面具有最小的吸附能.电荷主要被Al团簇基底占据,并且除Al17H2以及(Al17H2)3+外,其他吸附体系中2个H原子都携带了电性相反的电荷,靠近阴离子基底的H原子携带正电荷,而靠近阳离子基底的H原子倾向于携带负电荷.

不同煅烧温度对溶胶-凝胶合成的纳米ZnO光催化效果的影响

采用溶胶-凝胶工艺,以醋酸锌为前驱体,二乙醇胺为稳定剂,不同煅烧温度退火改性得到颗粒分布均匀的ZnO纳米粉体。测试发现,450℃退火得到的ZnO粉体催化效果最好,经紫外光照射240min后可完全降解甲基橙,其速率常数(k)为0.0163min-1。XRD、TEM、XPS、SEM、PL、UV-vis检测表明,温度从350℃上升到650℃,所有ZnO样品均呈六角纤锌矿结构,颗粒从不均匀扁平圆形生长为均匀球状,晶粒尺寸增大,团聚现象明显减少,样品结晶性随温度升高明显变好。另一方面,随着温度的升高,晶格氧所占的比例增大,空位氧浓度减小并产生体缺陷。结合光催化结果发现,适当的结晶度、比表面积和适量的氧缺陷对光催化降解更有利。

核-壳结构ZnO/g-C_(3)N_(4)纳米复合光催化剂的简易合成及光催化活性研究

以双氰胺为原料,采用简易的高分子网络凝胶法制备了具有超薄非晶g-C_(3)N_(4)层的核-壳结构ZnO/g-C_(3)N_(4)纳米复合光催化剂。当原料中氧化锌和双氰胺的摩尔比为1∶1时,复合光催化剂的壳层厚度约为3 nm,异质结界面清晰,在模拟光和可见光的照射下具有最佳的降解有机染料污染物活性。紫外-可见光漫反射(UV-vis)光谱结果显示,复合光催化剂在可见光范围内吸收增强,吸收带发生红移。光致发光(PL)光谱、稳态表面光电压(SPV)和稳态表面光电流(SPC)图谱揭示g-C_(3)N_(4)的负载显著增进了光生载流子的分离。在模拟太阳光和可见光下对亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B溶液进行光催化降解。结果显示,ZnO/g-C_(3)N_(4)纳米复合光催化剂的光催化活性明显提高,催化剂具备良好的稳定性和可重复利用性。此外,自由基捕获实验表明超氧自由基是复合材料降解染料污染物的主要活性物种,同时空穴在降解过程中起着重要作用。在光催化过程中,核-壳结构可有效促进ZnO与g-C_(3)N_(4)之间的电荷转移。本文研究为合成基于碳氮化合物/金属氧化物异质结构的高效纳米光催化剂提供了一条简单有效的途径。

高效Mn/ZnO⁃Ag纳米复合光催化体系的简易制备及研究

本研究使用简易高分子网络凝胶法制备了不同Mn含量掺杂的ZnO及Mn、Ag共掺的ZnO纳米光催化剂。在模拟太阳光下通过降解有机染料亚甲基蓝(MB)来研究样品的光催化性能。XRD和SEM证实,Mn的掺入减小了样品的晶粒尺寸,但改善了样品的颗粒分布。通过XPS能谱发现催化剂中存在Mn^(2+)和Mn^(3+),且随Mn离子掺杂量的增加,Mn^(3+)/Mn^(2+)比例增大。PL光谱显示,Mn/ZnO⁃Ag体系的发光强度较纯ZnO显著降低,其中当Mn浓度为1%(摩尔分数)时展现出最高效的光生载流子分离。结果表明,Mn掺杂显著增强了ZnO对可见光的吸收,但在一阶光降解动力学方程中并未发现显著的光催化活性提升,而Mn/ZnO⁃Ag样品在保持较好光学性能的同时大幅提高了ZnO的光催化活性。结合光催化测试结果发现,Mn/ZnO⁃Ag样品光催化性能的提升与其对可见光利用率的提高、Mn离子间价态变化及Mn离子与Ag粒子间的协同作用有关。这为系统性提升ZnO的光催化活性提供了一种有用的途径。

ZnO/TiO_(2)纳米复合光催化剂的简易制备及其光催化性能研究

基于修饰的高分子网络凝胶法,通过简单的工艺流程制备出高效的ZnO/TiO_(2)纳米复合光催化剂,并调节复合物中成分的比例优化了光催化剂的性能。研究结果发现,微量的TiO_(2)添加和高浓度TiO_(2)复合均改善了颗粒状ZnO纳米光催化剂的催化活性,它们在模拟太阳光照下对甲基橙的降解效率更高,增强的性能分别归因于表面氧空位缺陷增多和多元异质结结构增强的界面电荷转移引起的高光生电子-空穴分离率。此外,ZnO和TiO_(2)对亚甲基蓝和甲基橙的光催化降解存在一定的选择性,这与催化剂表面带电性和污染物分子的离子性有关。抑制剂实验表明催化剂表面形成的活性物种羟基自由基、超氧自由基和光生空穴均参与亚甲基蓝和甲基橙的降解反应,在甲基橙的降解反应中超氧自由基起主导作用。循环实验证实所制备的光催化剂具有较高的稳定性。为探索可能的实际应用,进一步研究了催化剂用量和污染物溶液的pH值对催化剂的光催化性能的影响。结果表明,催化剂用量的增加为污染物分子和入射光提供了更多的活性位点,提高了污染物降解效率;因碱性溶液含高浓度强氧化性的羟基自由基,催化剂在碱性环境中光降解污染物的效率明显提高。

Ag沉积的ZnO∶Cu纳米颗粒的制备及高效光催化研究

采用高分子网络凝胶法制备了Ag沉积的ZnO∶Cu纳米颗粒。XRD和SEM结果表明,Cu掺入后ZnO纳米颗粒的晶粒尺寸有所减小,但颗粒分散性得到改善。XPS谱的分析表明,Cu在样品中以Cu^2+和Cu^+的形式共存。结合PL光谱分析,认为Cu^2+和Cu+间的能级跃迁是引起蓝光发射的重要因素。UV-vis光谱显示掺铜明显提高了Ag-ZnO复合体系对可见光的吸收。分别在模拟太阳光和紫外光下降解亚甲基蓝(MB),测试样品的光催化性能。分析认为,Cu离子与Ag/ZnO异质结之间的协同作用能促进光催化反应的进行,与掺5%(摩尔分数,下同)Cu的Ag-ZnO纳米颗粒相比,微量掺杂0.2%Cu的Ag-ZnO样品在形貌、光学性能等方面更具优势,因此表现出更优异的光催化活性。

不同秸秆填料对镁质水泥轻质砌块性能的影响

以青稞、玉米、水稻秸秆、木屑和镁质水泥为原料,在常温常压下制备镁质水泥轻质砌块,研究了制品的性能和特点。结果表明,青稞、玉米、水稻秸秆镁质水泥砌块力学性能优于木屑镁质水泥砌块,其中青稞秸秆镁质水泥砌块综合性能最优。

过渡金属与F共掺杂ZnO薄膜结构及磁、光特性

采用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备了过渡金属元素与F共掺杂Zn_(0.98-x) TM_x F_(0.02)O(TM_x=Cu_(0.02),Ni_(0.01),Mn_(0.05),Fe_(0.02),Co_(0.05))薄膜,进而利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见透过谱、光致发光及振动样品磁强计等研究了薄膜的表面形貌、微结构、禁带宽度及光致发光(PL)和室温磁学特性.研究表明:掺杂离子都以替位的方式进入了ZnO晶格,掺杂不会破坏ZnO的纤锌矿结构.其中Zn_(0.93)Co_(0.05)F_(0.02)O薄膜样品的颗粒尺寸最大,薄膜的结晶度最好且c轴择优取向明显;Zn_(0.93)Co_(0.05)F_(0.02)O薄膜样品的颗粒尺寸最小,薄膜结晶度最差且无明显的c轴择优取;Cu,Ni,Fe与F共掺杂样品的颗粒尺寸大小几乎相同.TM掺杂样品均表现出很高的透过率,同时掺杂后的薄膜样品的禁带宽度都有不同程度的红移.PL谱观察到Zn_(0.98-x) TM_x F_(0.02)O薄膜的发射峰主要由较强的紫外发射峰和较弱的蓝光发射峰组成.Zn_(0.93)Co_(0.05)F_(0.02)O薄膜样品的紫外发光峰最弱,蓝光发射最强,饱和磁化强度最大;与之相反的是Zn_(0.96)Cu_(0.02)F_(0.02)O薄膜,其紫外发光峰最强,蓝光发射最弱,饱和磁化强度最小.结合微结构和光学性质对Zn_(0.98-x) TM_x F_(0.02)O薄膜的磁学性质进行了讨论.