第1章绪论
1.1研 究 背 景
当今社会以高速发展为主基调,四通八达的交通设施,各处林立的工厂设备,大大地方便了人们的经济和物质生活。但在这些繁荣与喧嚣的背后潜藏着的却是日趋严重的环境污染。其中,水污染更是与我们的生活密切相关。污水来源广泛,以来源于纺织厂、印染厂的化工废水为例,因其具有排放量巨大,有机分子含量超高,毒害化严重等特点而很难被降解。有些污染物之所以可怕并非因其本身具有毒性,而是当这些有机物的浓度较高时会对水体产生危害。比如当污染物的含量超过水体可自降解的*大量时,水体会出现厌氧腐败现象; 当大量无机污染物侵入正常水体后,能迅速致该水域中盐物质的浓度提高,导致该体系内的渗透压混乱,对生物的生存造成严重影响; 当含有较多氮、磷等元素的工业废水注入流动性较差的水域中后,会导致水生生物快速繁殖致使水体产生富营养化,*终破坏整个水环境。因此,对于水污���的治理迫在眉睫,刻不容缓。
到目前为止,以有机染料环境污水处理为题的研究工作已成为广大研究者的研究热点之一,并且在人们的努力下已经取得了一定的研究成果。传统的污水处理方法很多,诸如物理吸附法、生物活性污泥法、电化学氧化法等。然而这些方法均存在着这样或那样的不足,比如仪器本身的成本较高、强度差、寿命短,或是降解周期较长、易产生副产物、造成二次污染等。因此,人们期待开发一种**、绿色、低能耗且性能稳定的有机染料废水处理方法。
1.2纳 米 材 料
纳米材料全称是纳米级结构材料,从广义的角度来说指的是维度在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸范围内的超精细颗粒材料。1 nm是10-9 m,大概等于将10个氢原子依次相连的长度。 全书彩图二维码 由于纳米材料所组成物质的微粒尺寸都在1~100 nm之间,这些纳米粒子是尺寸处在原子和宏观粒子之间的微粒,所以并不属于人们常规认识中的微观或宏观状态,准确来说,纳米粒子是一种介观材料。尺寸的因素影响了纳米材料内部原子之间的相互作用,因此只能从量子力学的角度来对它的行为进行表述。因而使之拥有了非同寻常的物理及化学特性,如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等[13]。
1959年来自美国加州理工学院的物理学家理查德·费恩曼做了一次名为“在底部还有很大空间”的演讲。在这次演讲中,这位伟大的物理学家创造性地提出了人类可以用小的机器制作更小的机器,甚至可以用一个由单个分子或原子开始根据人们自己的意愿对物质进行组装的大胆想法。这应该是人类关于纳米科技*早的梦想,并成为人们正式向神秘的纳米世界进军的起点。其实早在19世纪60年代,人们对胶体微粒的研究就已经涉及纳米级材料的领域。到20世纪60年代以后,科学家们通过对金属纳米微粒的制备与研究来探寻纳米材料所具有的独特性质。直至1984年,德国科学家赫伯特·格莱特通过将尺寸约为6 nm的铁粉原位加压,得到了人类有史以来**块真正意义上的纳米材料,他本人也被誉为“纳米大师”,由此,纳米材料走入人们的视野[4,5]。1991年,来自美国的科研工作者们成功地合成了至今仍被称作“**纤维”的碳纳米管材料,通过大量测试表征结构发现碳管材料的质量仅为相同体积情况下钢材料的1/6,然而其机械强度却是钢的10倍。时至**,对纳米材料的开发与研究仍然是材料科研领域世界性的热点。
1.3光催化技术
1972年日本科学家藤岛等报道了在TiO2光电极上裂解水产生氢气,这个特性引起了国内外环境保护以及新材料领域科研工作者的极大兴趣,从此拉开了利用半导体材料光催化降解水体污染物研究与发展的大幕。光催化是利用大自然中丰富的光能作为化学反应的驱动力,通过化学反应来产生催化效果,分解环境中对人体有害的有机物质及部分无机物质,既能加速反应、节约能源又不会造成二次污染。自然界中植物的“光合作用”便是光催化*具代表性的例子之一。在光催化过程中,植物运用吸收的光能,将吸收来的二氧化碳分解为水和氧气[6,7]。
近30年的科研探索表明,光催化具有绿色无污染、节能低消耗等优点,已迅速发展成为水体污染处理的研究热点。光催化剂大多是以微/纳米半导体材料为主,在吸收相应能量的光量子后,在半导体内部产生光生载流子并与附着在半导体表面的氧物质发生反应,生成高能的羟基自由基和负氧离子。这两种物质再与吸附在半导体上的有机污染物分子发生强烈的氧化还原反应,*终将其降解为H2O、CO2以及其他无机小分子。由于光催化成本低、易于操作、原料储量大以及产物无二次污染等优点,因此已成为一种绿色环保的**有机污水处理技术[8]。
众所周知,在半导体材料中,能量较低且被电子填满的能带,称为满带,位于*上面的满带叫作价带(valence band,VB); 位于价带上方*底端的空带称为导带(conduction band,CB)。价带顶和导带底的能量差称为禁带宽度(也叫作带隙),用Eg表示。基态下的半导体材料内部不存在自由的载流子。价带上的电子被束缚,而导带中并没有电子,但是当能量大于半导体禁带宽度的光照射在半导体表面时,半导体价带上的电子会受到能量激发,从而跃迁到导带中,形成具有高活性的光生电子(e-); 与此同时,在相应的价带上会产生带正电的光生空穴(h )。这两种光生载流子拥有各自的特点,比如光生电子拥有较强的还原性,与它同时产生的光生空穴则拥有较强的氧化性,这两种载流子与附着在催化剂上的氧物质(如OH-、O2)反应,产生具有强氧化还原能力的羟基自由基和负氧离子。这两种物质可以无选择性地把催化剂表面的大多数有机、无机污染物分解为H2O和CO2(图11)[9]。从这个过程不难看出,两种载流子被激发后的有效分离对于光催化的意义巨大。当两种载流子没有被合适的电子或空穴俘获中和时,两种载流子会迅速地完成复合过程。这样载流子中由于被光量子激发所储备的能量将在几毫秒内消耗殆尽。相反,如果在两种载流子产生后,可以被有效地分离,则氧化还原反应将会顺利进行。光催化效率会有效增强。
图11光催化带隙结构机理示意图 (请扫1页二维码看彩图) 1.4ⅡⅥ族锌基半导体材料
ⅡⅥ族锌基半导体材料是一类非常重要的直接带隙半导体。由于其自身独特的光电学性质早已受到当今材料科学领域专家们的青睐。ⅡⅥ族锌基半导体材料在该领域中为工作者们提供了巨大的创造空间,并且给器件制造领域带来了无限可能,一直处于纳米材料科学研究的*前沿。ⅡⅥ族锌基半导体作为一种直接带隙半导体具有重要的非线性光学特性、发光特性,以及其他一些重要的物理化学性质,而受到物理、化学包括材料学家的高度重视。被广泛地应用于各种发光装置、激光和红外探测器、光化学催化剂以及光敏传感器等领域。
1. ZnO半导体材料
ZnO是一种有较高的激子束缚能(60 meV)、禁带宽度为3.37 eV的直接带隙半导体材料。本征ZnO为n型半导体材料。在自然条件下ZnO拥有三种不同的晶体结构,分别为六方纤锌矿结构、立方闪锌矿结构和四方岩盐矿结构。ZnO晶体结构示意图如图12所示。
图12(a) 六方纤锌矿结构ZnO; (b) 立方闪锌矿结构ZnO; (c) 四方岩盐矿结构ZnO
纳米ZnO与TiO2具有相近的带隙,可有效地被紫外光(≤420 nm)激发,且表现出更高的光催化性能及量子产率。ZnO半导体材料具有制备工艺简单、形貌多样且地球上储量较大等优点,所以被大量应用到有机污染物的治理工作当中,并且被认为是一种**应用前景的高活性光催化剂[10]。
2. ZnS半导体材料
ZnS的结构分为两种,一种为立方闪锌矿结构,另一种为六方纤锌矿结构。如图13为两种不同结构的ZnS晶体结构[1114]。ZnS作为一种重要的ⅡⅥ族化合物半导体材料,其室温条件下六方纤锌矿相ZnS的带隙约为3.72 eV,立方闪锌矿相ZnS的带隙约为3.68 eV,激子束缚能为40 meV,具有优异的光电及催化性能。在紫外发光二极管、激光器和传感器等领域有着广泛的应用。ZnS常温下化学性质较为稳定。因为在被光激发的条件下ZnS材料具有快速生成光生载流子、所产生的激发电子的还原电势更低、且具有制取原料的成本低廉、易于商业化生产等优点,使ZnS半导体材料在光降解有机污染物领域和产氢新能源领域得到广泛应用。 图13(a) 立方闪锌矿结构ZnS; (b) 六方纤锌矿结构ZnS
3. ZnSe半导体材料 ZnSe是一种亮黄色、ⅡⅥ族直接带隙半导体材料,禁带宽度为2.67 eV,激子束缚能是21 meV,其本征发射处于蓝光区或蓝绿光区,且为n型半导体材料。发光效率优异,在25℃左右可直接发光。其熔点较高,在高压保护气体条件下熔点约为1515℃。ZnSe纳米半导体材料化学性质较为稳定。ZnSe的常温稳定相是立方闪锌矿结构,高温稳定相是六方纤锌矿结构,在1425℃左右二者可相互转换。常温常压条件下,ZnSe通常以立方闪锌矿和六方纤锌矿两种结构同时存在[15,16]。如图14所示为ZnSe半导体材料的两种晶相结构示意图。 图14(a) 立方闪锌矿结构ZnSe; (b) 六方纤锌矿结构ZnSe (请扫1页二维码看彩图)
参 考 文 献
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第2章ZnO微/纳米棒的尺寸调控
及其光催化性能研究
2.1引言
近年来,由经济的高速发展带来的水污染已经成为影响人们生活的严重问题。人们一直想要找到一种简单、廉价、**且没有任何二次污染的方法来解决这个问题[13]。由于能够彻底将废水中的污染物分解成无害的水和二氧化碳,因此以半导体微/纳米材料为基础的光催化过程引起了人们的关注[3,4]。半导体微/纳米材料的光催化活性取决于它们的结构,包括形貌[5,6]、尺寸[7,8]、取向[9,10]、缺陷[1113]和裸露晶面[1417]等。因此,为了获得高活性光催化剂,控制微/纳米材料的结构就显得尤其重要[6,18,19]。另外,已有的研究报道中,在比较不同样品之间的光催化活性时,大多只考虑了某个单一的影响因素,其他的影响因素往往被低估甚至被忽略。这样很难对微/纳米材料的光催化活性作出准确的评估。因此,系统地探索微/纳米材料的结构和光催化活性之间的关系具有较深的意义。
氧化锌(ZnO)被广泛用作分解有机污染物的催化剂[2022]。在众多ZnO形貌中[23,24],ZnO微/纳米棒是一种简单的结构。本章采用化学浴沉积(CBD)方法,通过改变种子层厚度、NaOH浓度、沉积时间及基片合成不同尺寸的ZnO棒阵列,分析了合成条件对ZnO微/纳米阵列的尺寸、长径比、取向、密度和(0001)晶面覆盖率的影响,同时考察了各种结构参数对ZnO微/纳米棒阵列的光催化活性的影响。
2.2实 验 部 分
本章实验所需主要试剂见表21。
表21实验所需主要试剂 试 剂 名 称分子式纯度生 产 厂 家 甲醇CH3OH分析纯沈阳国药试剂
乙酸锌Zn(Ac)2·2H2O分析纯沈阳国药试剂
氢氧化钠NaOH分析纯沈阳国药试剂
六次甲基四胺C6H12N4分析纯沈阳国药试剂
罗丹明BC28H31N2O3Cl分析纯沈阳国药试剂
甲基橙C14H14N3SO3Na分析纯沈阳国药试剂
2.2.1样品的制备
本章实验中分别使用带种子层硅片(Si/seed)、空硅片(Si)、玻璃片(glass)、锌片(Zn)作为衬底来生长ZnO微/纳米棒阵列。ZnO薄膜的制备包括种子层的制备和ZnO微/纳米棒结构的自组装生长。
1. 制备带有种子层的硅基片
在生长ZnO薄膜之前,首先在硅基片上制作种子层。具体方法包括: 首先使用甲醇作为溶剂制备10 mM1 M=1 mol/L。的乙酸锌溶液作为种子层溶液; 然后使用旋涂仪(Laurell WS4008TFWFull)将所配制的种子层溶液均匀地旋涂在硅基片上; *后将涂有种子层溶液的硅基片放在烤胶台上,270℃热处理40 min。
2. ZnO微/纳米棒阵列的自组装生长
使用去离子水作溶剂分别配制0.1 M的乙酸锌(Zn(Ac)2·2H2O)溶液和不同浓度的氢氧化钠(NaOH)溶液(0.05~1 M); 待两溶质完全溶解后将两溶液充分混合,然后将带有种子层的硅基片(或其他基片)浸没在混合溶液中,将反应容器置于80~100℃的恒温箱中; 在间隔不同反应时间后分别取出长有ZnO薄膜的样品,使用去离子水和无水乙醇反复冲洗干净后室温干燥。
2.2.2光催化性能测试
对于ZnO微/纳米棒薄膜样品的光催化性能测试步骤如下: 配制一定浓度的罗丹明B溶液(或甲基橙溶液),用罗丹明B溶液(或甲基橙溶液)润洗薄膜样品,以保证催化剂可以充分地接触染料; 将处理好的薄膜样品放入反应器底部,同时,使用未经任何处理的空硅片作为空白对照,加入罗丹明B溶液(或甲基橙溶液); 将反应器置于紫外灯下进行光催化反应,每隔固定时间测试罗丹明B溶液(或甲基橙溶液)的光吸收曲线(350~750 nm); 根据公式降解率=(C0-C)/C0×****算出罗丹明B溶液(或甲基橙溶液)的降解率。
2.3结果与讨论
2.3.1种子层厚度对ZnO微/纳米棒生长及光催化性能的影响
以带种子层硅片为基片,NaOH浓度为0.05 M,反应温度为95℃,反应时间为3 h时,研究不同种子层溶液旋涂次数对ZnO微/纳米棒的结构影响。图21为不同种子层溶液旋涂次数所得ZnO微/纳米棒的扫描电子显微镜(SEM)图。从图21中可以看出,随着种子层的旋涂次数从1次逐渐增加至50次,ZnO纳米棒的直径从150 nm降低到70 nm,而长度从2 μm降低到0.6 μm,其长径比则从13.3降低到8.6。另外,随着种子层溶液旋涂次数的增加,种子层逐渐变厚,ZnO微/纳米棒阵列的密度逐渐变大。同时,随着旋涂次数的增大,ZnO微/纳米棒的取向逐渐变好。显然,ZnO微/纳米棒的尺寸越小,其生长密度(单位面积上生长ZnO微/纳米棒的数量)越大,生长取向就越好。生长取向随ZnO微/纳米棒的尺寸增大而变差。不同种子层溶液旋涂次数生长的ZnO微/纳米棒的直径、长度、长径比、生长密度及单位面积上(0001)晶面覆盖率总结于表22中。
图21不同种子层溶液旋涂次数所得ZnO微/纳米棒的SEM图 (a1)~(a2) 1次; (b1)~(b2) 5次; (c1)~(c2) 10次; (d1)~(d2) 50次
表22不同种子层溶液旋涂次数所得ZnO微/纳米棒的直径、
长度、长径比、生长密度及单位面积上(0001)晶面覆盖率 旋涂次数平均直径/nm平均长度/μm长径比生长密度/cm-2单位面积上(0001)晶
面覆盖率/% 11502.0
13.3
7.0×108
33.1
5
100
1.0
10.0
1.5×109
49.7
10
80
0.7
8.8
3.2×109
70.3
50
70
0.6
8.6
1.4×1010
83.7
注: 生长密度为每平方厘米上ZnO微/纳米棒的数量。 图22为不同种子层溶液旋涂次数生长的ZnO微/纳米棒的XRD图。从图22中可以看出,所有样品都是结晶质量较高的六方纤锌矿结构ZnO。所有样品的每一个衍射峰都能与ZnO的标准卡片(JCPDS No.361451)相符。XRD谱中没有任何杂质峰出现,表明样品都是纯相的ZnO,且生长密度较高。图22插图给出了不同种子层溶液旋涂次数生长的ZnO微/纳米棒c轴〈0002〉方向生长的织构系数(Tc)。织构系数按如下公式计算[25,26]:
Tc(hkl)=nIm(hkl)/I0(hkl)∑n1Im(hkl)/I0(hkl)
其中,Im(hkl)是样品的相对强度,I0(hkl)是ZnO标准卡片(JCPDS No.361451)的相对强度,n为计算的衍射峰数量。本实验选用6个衍射峰,(101-0)、(0002)、(101-1)、(101-2)、(112-0)和(101-3)。
图22不同种子层溶液旋涂次数所得ZnO微/纳米棒的XRD图 插图为ZnO微/纳米棒c轴〈0002〉方向生长的织构系数Tc 图22插图中ZnO微/纳米棒的织构系数曲线表明,随着种子层溶液旋涂次数逐渐上升,ZnO微/纳米棒阵列的织构系数开始上升较快,即当旋涂次数从1上升