纳米氧化锌/碳纳米管三维泡沫结构的构筑及无光照条件下降解有机物研究

Photocatalytic technology is greatly used in wastewater treatment but with the restriction of the light source and environmental influences. This project focuses on the piezoelectric effect of semiconductor materials, ZnO, which is prepared very commercially viable with the property of environmentally friendly products and high catalytic activity, and a practical choice for the semiconductor catalysts. The preparation of ZnO nanostructures combined with low-cost mechanical milling and subsequent hydrolysis reaction at low temperature. Under the action of stress, the piezoelectric effect of ZnO nanostructures could be used to produce electron–hole pairs and effectively degrade organic contaminants in water effectively, real-time and without the control of light. At the same time, three-dimensional all-carbon foam structure based on carbon nanotubes (CNTs) would been constructed and as-prepared ZnO nanostructures would been embedded in CNT networks. Under the action of water impact, foam structure is compressed. Via piezoelectric effect, ZnO nanostructures would be applied force and produce electron-hole pairs, which would react to form active oxidation group to degrade organic contaminant. This research focuses on the construction of three-dimensional elastic foam structure with superior mechanical property and realization of organic contaminants degradation on the basic of piezoelectric effect, which could be an important theoretical and practical significance to explore the degradation of organic contaminants without the control of light.

解决水源污染中有机物降解处理问题的光催化技术越来越受到关注，但受光源和环境影响限制了其广泛应用。本课题从半导体材料的压电效应原理出发，选取制备成本低，无毒环保和高催化活性的氧化锌作为半导体催化剂的代表，以低成本的机械研磨和低温水解反应制备氧化锌纳米结构；同时以碳纳米管为基构筑三维弹性泡沫结构，将氧化锌纳米结构嵌入其中，通过三维孔隙结构吸附有机污染物，借助水流冲击力的作用，压缩三维弹性泡沫结构，使氧化锌纳米结构受到力的作用，利用其压电效应，激发产生离子电荷，反应生成活性氧化基团进行有机物的降解处理。本研究构筑力学性能稳定的氧化锌/碳纳米管三维弹性泡沫结构实现基于半导体材料压电效应原理的催化降解的研究思路具有新颖性，对探索无光照条件下降解水源有机污染物具有重要的理论和实际意义。

半导体材料氧化锌ZnO具有压电效应，受到挤压、扭转、弯曲等机械变形作用时会产生载流子，即无需光激发在力变形的作用下就可产生载流子-电子空穴对，充分利用此压电效应产生的载流子进行有机污染物的催化降解将有效地解决光催化技术遇到的光源限制和电子空穴复合的问题。. 本项目以碳纳米管为结构支撑基础, 将氧化锌纳米结构构筑在碳纳米管的分层三维孔隙网架结构中，形成具有一定弹性和可压缩性的类似泡沫的分层结构,通过分层孔隙结构吸附有机污染物,借助力激发作用压缩三维分层孔隙结构,使其中的氧化锌纳米结构产生离子电荷,反应生成的活性氧化基团进行有机污染物的降解处理。通过辊压振动研磨13h制得ZnO纳米棒与Zn纳米颗粒的复合粉体， ZnO纳米棒直径约30-60nm，长径比可达40。与CNTs复合制备ZnO/Zn/CNT多孔复合结构，均匀致密的ZnO纳米棒被碳纳米管缠绕，为力变形提供了约束变形的边界。多孔结构的压缩性能及受约束发生变形的ZnO棒，由于受力变形产生电子空穴对，空穴本身具有很强的氧化性，在半导体表面生成有极强氧化能力的羟基自由基（·OH），在无光条件下即可得到力激发实现催化降解有机污染物。碳纳米管与氧化锌形成的异质结形成肖特基效应可阻止电子空穴的复合和导走；载流子在氧化锌纳米棒变形的瞬间产生，输送到材料表面与表面吸附的有机污染物进行反应，包括电子参与的还原反应和空穴参与的氧化反应，此反应过程是多相催化过程，涉及到催化剂的物理变形、产生载流子、与其表面吸附物质多相之间的吸附、迁移、反应多个过程，涉及气相、有机物液体及液相溶液。与传统催化反应及光催化反应相比，催化剂激活的方式被力变形过程取代。. 利用力激发产生粒子电荷进行催化降解和三维分层孔隙复合结构相结合实现了在无光照条件下降解有机物，为开发半导体材料在环境和能源领域的应用提供了一定的参考。