基于银-半导体鸟笼状纳米结构对太阳光降解工业染料废水的催化性能研究

ZnO and TiO2 semiconductors are considered to be an ideal material for the degradation of industry waste water, however, some key scientific problems are not resolved, such as the existence of low quantum yield,and narrow photo resonance, which limited seriously the application and development of ZnO and TiO2. This project will carry out the research work of designing and preparing the core-shell and novel cage structure of Ag@TiO2,Ag@ZnO,combining nanosized Ag particles has surface plasmon resonance and being served as an electron transfer relay. At the same time, the merits of stable nanosized effect and the UV light resonance of TiO2 and ZnO can be elaborated. So the quantum yield will be improved and the light resonance will be broadened to red-shift. Thus, the degradation of industry waste water of silver-semiconductor cage structure under solar light will be realized. We will investigate the effects to photocatalysis,such as the type, size and morphology of the shell to screen the most active catalyst and study the dymatic of catalysis reaction. The catalysis mechanism will be explored, the relationship between the structure and catalysis activity will be discovered as well as the theory and experience foundation for this kind of catalysts will be laid.

TiO2与ZnO半导体被认为是理想的光降解工业废水的催化剂，但由于其量子产率低，光谱响应范围窄等关键问题没有解决严重地限制了其应用与发展。本项目将小尺寸的金属银纳米颗粒与半导体复合形成新型鸟笼状结构及核壳结构Ag@TiO2和Ag@ZnO，由于利用催化活性的在可见光区有吸收的Ag纳米颗粒作为电子传递介质，同时发挥TiO2和ZnO纳米壳的稳定性能、小尺寸效应、紫外光响应等优点，使纳米Ag核与TiO2和ZnO半导体外壳之间发生协同作用，实现电子空穴对分离，从而提高量子产率，拓宽光响应范围使其极大红移，制备出一系列稳定性高、可控的Ag@TiO2、Ag@ZnO新型复合结构，实现其催化太阳光降解工业废水中有机污染物；研究外壳材料类型、尺寸、形貌等因素对光催化性能的影响，筛选出活性最强的催化剂；探索催化机理，揭示构效关系，对光催化反应动力学进行研究，为设计此类催化剂奠定理论及实验基础。

近年来，随着环境保护意识逐渐深入人心，寻找最佳治理工业三废的方法迫在眉睫，光催化法是近年来发展起来的治理工业污水的有效方法，其中ZnO半导体材料就是一种理想的降解工业废水的光催化剂，但由于其量子产率低，光谱响应范围窄等关键问题没有解决严重地限制了其应用与发展。TiO2与ZnO半导体被认为是理想的光降解工业废水的催化剂，但由于其量子产率低，光谱响应范围窄等关键问题没有解决严重地限制了其应用与发展。本项目研究了小尺寸的金属银纳米颗粒与半导体复合形成新型鸟笼状结构及核壳结构Ag@TiO2和Ag@ZnO，利用了催化活性的在可见光区有吸收催化活性的Ag纳米颗粒作为电子传递介质，同时发挥了TiO2和ZnO纳米壳的稳定性能、小尺寸效应、紫外光响应等优点，使纳米Ag核与TiO2和ZnO半导体外壳之间发生协同作用，实现电子空穴对分离，从而拓宽了ZnO和TiO2的光响应范围使其极大红移。本项目采用溶剂热发，通过改变反应条件制备出一系列高稳定性、高催化活性的ZnO基、TiO2基复合材料，主要包括：1.制备出纯ZnO纳米粒子，XRD、TEM、SEM、UV-vis等表征结果显示样品具有良好的纯度和结晶度，在波长为380nm和550nm附近出现两处明显的光致发光峰(PL)，且在太阳光下对染料罗丹明B(RhB)有一定催化降解作用。2. 制备出Ag-ZnO 、Pd-ZnO核壳结构，其具有很好的结晶度和分散度，与纯ZnO相比，复合材料Ag-ZnO的PL发光峰有所下降，对染料罗丹明B（RhB）的催化降解能力较纯ZnO有明显增强。3. 制备出蜂窝状与多孔柱状Au-ZnO 异质结构，它们均具有良好的纯度和结晶性能，两种样品的PL吸收峰都比ZnO降低，对RhB的催化活性大大提高，由于蜂窝状样品的金含量和表面积较高，所以具有最高的催化活性。 4. 对三种复合材料的光催化机理进行了探究，给出了可能的机理示意图。实现其催化太阳光降解工业废水中的有机污染物；研究了贵金属的掺杂量、分散度以及反应温度等因素对样品发光性质和光催化性能的影响，筛选出活性最强的催化剂；揭示了构效关系，对光催化反应动力学进行研究，为设计此类催化剂奠定理论及实验基础。