醋酸锌废触媒制备氧化锌/活性炭复合材料的新工艺及微观机理研究

采用多孔活性炭(AC)作为载体制备纳米ZnO/AC复合材料是克服单一ZnO微粒光催化性能缺陷、提高其光催化效率的有效途径之一。针对现有制备方法存在的成本高、工艺复杂、易产生二次污染等缺点，本项目提出利用醋酸乙烯合成中所产生的含醋酸锌的废触媒，通过水蒸气活化、微波加热直接再生制备ZnO/AC复合材料的新工艺。通过响应曲面方法对实验过程各参数进行优化，获得制备ZnO/AC的最佳工艺参数条件。采用XRD、SEM、TEM、XPS、UV-Vis、FT-IR等手段分析研究氧化锌在活性炭表面的形成过程、分散程度及二者之间的结构变化规律。在此基础上，借助于量子化学第一性原理、分子力学和分子动力学以及它们的组合方法，通过模型设计和模拟计算，明确ZnO纳米晶体结构的成核机制，探讨氧化锌与活性炭主要晶面微观动态结合过程的相互作用机理和化学本质，为优化实验条件，制备出高品质多功能的复合材料奠定理论基础。

针对现有炭基氧化锌复合光催化材料制备工艺的缺陷，以醋酸锌废催化剂为原料，提出微波加热一步法制备氧化锌/活性炭复合材料的方法，结合响应曲面实验优化、多种分析测试手段以及第一性原理方法分别对复合材料的工艺参数、结构和性能的关系、微观结构的形成机制及相互作用机理等进行了研究。.（1）采用热重分析明确了废催化剂中醋酸锌分解的主要温度范围，通过第一性原理计算获得了醋酸锌分解过程主要反应的相关热力学数据，明确了热解动力学模型，考察了热解温度和活化时间对复合材料结构特征和吸附性能的影响，为微波处理废催化剂工序奠定了理论基础。.（2）采用微波加热、在不同活化剂条件下通过一步法制备了ZnO/活性炭复合材料，通过响应曲面方法对实验过程各关键参数进行优化，获得了两因子交互效应的二次方程模型和不同条件下的最优工艺参数条件。不同条件下制备的复合材料产品吸附性能均达到国家标准GB/T 12496.1-1999的要求。其中，微波加热-二氧化碳活化所得产品得率更高，吸附性能更佳。.（3）采用N2 吸附、XRD、SEM等手段对复合材料的孔结构和微观形貌特征等进行了分析，所得样品均由具有部分理想石墨微晶结构的活性炭和六方纤锌矿结构的ZnO纳米微晶组成。利用ZnO/AC复合材料对直接朱红染料和挥发性有机化合物TVOC进行了吸附降解实验，均取得很好的效果。与传统方法相比，微波法对于改善产品的吸附性能，提高氧化锌的转化率和光催化活性更为有利，因而更具有商业化应用前景。.（4）采用第一性原理研究了氧化锌纳米团簇的晶核形成过程，给出了不同大小ZnO团簇的最稳定结构、能量以及成核反应历程。在此基础上计算了不同ZnO团簇与石墨烯（001）面形成的复合物的结构和能量特征，初步明确了ZnO在碳表面的生长机制。其中，氧化锌纳米线状团簇与石墨烯表面的吸附能随氧化锌层数的增加而增加，氧化锌向石墨烯表面的电子转移趋势逐渐明显。.（5）采用第一性原理对纤锌矿ZnO(0001)面与ZnO（000-1）面与石墨烯(001)面的相互作用机制进行研究，两种ZnO晶面与石墨烯(001)面均为范德华弱相互作用，且结合能基本一致，通过增加石墨烯氧化基团的数目和改变结合位点可以有效加强二者的电子转移趋势，形成有效的电子-空穴对，从而提高复合材料的光催化活性。