ZnO包覆TiO2复合材料的制备及其性能研究

滨州学院本科毕业设计（论文）IZnO/TiO2 复合材料的制备及其性能研究摘 要本实验以 Ti(SO4)2、ZnSO 4 为原料，尿素为沉淀剂，十二烷基苯磺酸钠（SDBS ）为表面活性剂，采用非均相沉淀法制备 ZnO 包覆 TiO2的复合材料。通过五因素四水平的正交实验制备包覆粉体，以其作为催化剂对甲基橙（MO ）进行了光催化降解实验，根据催化效果获得制备包覆材料的最佳条件：沉淀剂用量为 1:20，包覆比为 3:1，反应温度为 90，煅烧温度为 450，煅烧时间为 1h。实验表明：在最佳条件下制备包覆材料和纯的 ZnO、TiO 2 粉体，其粒径分别为 150nm、126nm、134nm。并用红外光谱分析仪、 X-射线衍射仪对包覆粉体表征，其相关峰都与 ZnO 的接近，可知形成的包覆层较好。通过对 MO 紫外照射 120min 的降解实验知：氧化锌的光催化性能最好；在 ZnO 的包覆后，TiO 2 的降解率由 73.5%提高到 83%；并且甲基橙的浓度越小，降解效果越好。包覆产物在碱性（pH 为 10）条件下的光催化能力较中性条件下稍强；在 pH 为 6.5，催化剂最佳用量为 1g/L，光照 180min 的条件下光催化的降解率可达 86.3%。关键词：ZnO；TiO 2；包覆；非均相沉淀；光催化 滨州学院本科毕业设计（论文）IIResearch on Preparation and Properties of ZnO/TiO2 Composite MaterialAbstractIn this experiment, with Ti (SO4) 2 and ZnSO4 for raw materials, urea as the precipitating agent and sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS) as surfactant, the ZnO coated TiO2 composite materials was synthesized by the method of heterogeneous precipitation. Through the orthogonal experiment with five factors and four levels, the best conditions to synthesize compound the material which have the strongest ability to catalyze orange (MO) were found out. The results of photocatalytic degradation experiments showed the optimal conditions were that the coated ratio of 3:1, the precipitant ratio of 1:20, the reaction temperature of 90 and calcined in 450 for 1 hour .We synthesized the coated material under the optimal conditions and use homogeneous precipitation method to prepare pure ZnO and TiO2. The particle sizes of them respectively were 150nm, 126nm, 134nm respectively. Through the characterization by Infrared spectrometer and X-ray diffractometer, the related peaks of the coated power were close to ZnO with no obvious peaks of TiO2 appeared which indicated the coated power was well done. Through the experiments of UV irradiation and degradation MO for 120min we knew that zinc oxide had the strongest photocatalysis ability, then followed by ZnO/TiO2 and the degradation rate of TiO2 was increased from 73.5% to 83% after coated. The smaller concentration of methyl orange made ability of catalyst stronger. Under the conditions of pH 6.5, the best dosage of catalyst 1g/L and lighting for 180min the degradation rate could reach to 86.3%.Key words: ZnO; TiO2; coated; heterogeneous precipitation; photocatalytic滨州学院学士学位论文i目 录引言 .1第一章 文献综述 .21.1 氧化锌简介 .21.1.1 氧化锌的结构 .21.1.2 氧化锌的性质与应用 .21.1.3 氧化锌制备方法 .21.2 二氧化钛简介 .31.2.1 二氧化钛的结构 .31.2.2 二氧化钛的性质与应用 .31.2.3 二氧化钛的制备方法 .41.3 氧化锌包覆二氧化钛复合材料的简介 .41.3.1 包覆体的结构与性质 .41.3.2 包覆机理 .41.3.3 表面包覆方法 .41.4 研究意义与内容 .51.4.1 选题意义 .51.4.2 研究内容 .5第二章 实验部分 .72.1 实验试剂 .72.2 实验仪器 .72.3 样品的制备 .72.3.1 最佳合成条件的确定 .72.3.2 样品的制备 .82.4 样品的表征 .82.4.1 粒径分析 .82.4.2 红外光谱分析 .92.4.3 XRD 分析 .9滨州学院学士学位论文ii2.5 光催化性能测试 .92.5.1 空白实验 .102.5.2 复合粉体投加量对催化效果的影响 .102.5.3 甲基橙溶液 pH 值对催化效果的影响 .102.5.4 甲基橙的浓度对催化效果的影响 .102.5.5 光照时间对光催化降解率的影响 .102.5.6 不同材料降解率的比较 .10第三章 结果与讨论 .113.1 样品的表征 .113.1.1 粒径分析 .113.1.2 红外光谱分析 .123.1.3 XRD 谱图分析 .123.2 光催化性能测试 .143.2.1 甲基橙的紫外吸收峰及标准曲线 .143.2.2 空白实验 .143.2.3 最佳合成条件的确定 .143.2.4 复合粉体投加量对光催化降解率的影响 .163.2.5 甲基橙 pH 对光催化性能的影响 .163.2.6 甲基橙浓度对复合粉体催化性能的影响 .173.2.7 光照时间对催化效率的影响 .183.2.8 合成粉体与纯样品催化能力的比较 .18结论与展望 .20参考文献 .21谢辞 .23开题报告1百手起驾 整理为您引言废水的处理一直是研究环境保护中倍受关注的课题，目前国内外处理废水的常用方法主要有吸附法、化学氧化法、溶剂萃取法、液膜法、离子交换法、光催化法和生化法等 1。光催化法属于化学氧化法中的一种，具有效率高、成本低、无污染、可循环等优点 2。许多材料都用于有机物的光催化，比较常用的有稀土化合物、氧化锆、氧化锌、氧化钛及其掺杂、包覆的复合材料 3。包覆是通过对超细粉体进行适当的表面包覆处理，以改善颗粒的分散性和表面活性，使颗粒表面获得新的物理、化学、力学性能及新的功能 4。常用的包覆方法有机械混合法、固相反应法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法、沉淀法、非均相凝聚法、非均相沉淀法等。ZnO 和 TiO2 等原材料简单易得、价格便宜、无毒无害，且都具有良好的光催化性能。本实验通过非均相沉淀法制备 ZnO 包覆 TiO2 复合材料，以甲基橙（MO）为降解对象，研究 ZnO 包覆 TiO2 复合材料的合成条件及其光催化性能。开题报告2百手起驾 整理为您第一章 文献综述1.1 氧化锌简介1.1.1 氧化锌的结构氧化锌分为锌矿型、盐岩矿型和闪锌矿型三种晶型结构。其中纤锌矿型的氧化锌热力学性质较稳定，通常制备的氧化锌都是纤锌矿型晶体结构。纤锌矿型晶体结构属六方晶系，为极性氧化物，其晶体结构如图 1.1 所示。图 1.1 纤锌矿的晶体结构模型1.1.2 氧化锌的性质与应用ZnO 属于 N 型半导体，内含有氧空位或锌间隙缺陷，能带宽为 3.37eV，这使其在紫外可见光区域有很强的吸收能力。在紫外光线照射下，氧化锌能分离出自由移动的电子和空穴。这种带正电荷的空穴可以氧化空气中的氧分子生成活性氧离子，而活性氧离子具有极强的化学活性，能与大多数有机物发生氧化还原反应(包括细菌内的有机物)，从而具有光催化和杀菌的能力 5。ZnO 由于其本身优异的光电、压电、气敏、催化等性能，在很多领域具有广阔的应用和潜在应用，又由于 ZnO 制备工艺简单、成本低廉使得其无论在工业、民用还是高新技术和军事领域具有很好的应用前景。目前 ZnO 的主要应用领域有：防紫外线材料、消毒、催化材料、气敏性材料、发光材料等 6。1.1.3 氧化锌制备方法氧化锌常用的制备方法有：水热法 7、沉淀法 8、微乳液法 9等。(1) 水热法是指在密闭的反应器 (高压釜)中，通过将反应体系加热到临界温度，产生高温、高压环境，使反应物反应合成产物的一种有效方法。(2) 淀淀法主要流程是先将相应的盐溶解在溶剂中(水、醇等)，然后加入沉淀开题报告3百手起驾 整理为您剂，在一定的环境下反应，制备出相应的氧化物或者前驱物，前驱物经过锻烧即可得到所需的氧化物。(3) 微乳法的沉淀反应是在微乳液 1-100nm 的水核或油核中进行，通过限制晶粒的生长，可制备小粒径的 ZnO。1.2 二氧化钛简介1.2.1 二氧化钛的结构在通常情况下制备的二氧化钛主要是锐钛矿型和金红石型，其中金红石型的热稳定性较高。二氧化钛在常温下是无定形态，煅烧温度为 200左右时就会出现锐钛矿结构，温度升高到 500左右，锐钛矿型将有部分转化为金红石型 10。其晶体结构如图 1.2 所示：图 1.2 二氧化钛的晶体结构 a金红石型；b锐钛矿型1.2.2 二氧化钛的性质与应用二氧化钛光催化、杀菌的原理与氧化锌相似：TiO 2 价带上的电子可以被激发跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴。随后电子和空穴与吸附在 TiO2 表面上的H2O、O 2 反应，生成高活性的羟基自由基和氧离子自由基，这些具有极强氧化作用的活性自由基，可使各种有机化合物 11-13氧化分解。二氧化钛是 N 型半导体材料，具有良好的耐候性、耐腐蚀性、较高的化学稳定性、热稳定性，在功能陶瓷、半导体、传感材料、光电转换材料、催化材料中有广泛的应用 14-15。又由于具有较强的紫外线吸收能力和遮盖能力，常用于化妆品行ba开题报告4百手起驾 整理为您业。1.2.3 二氧化钛的制备方法二氧化钛常用的制备方法有：沉淀法、微乳法 17、水热法 18、溶胶-凝胶法等19。水热法和微乳法的原理与制备氧化锌的相同。1.3 氧化锌包覆二氧化钛复合材料的简介1.3.1 包覆体的结构与性质氧化锌包覆二氧化钛复合材料是氧化锌沉淀在二氧化钛表面上形成的一种壳核结构的粉末。通过表面包覆处理，可以改善颗粒的分散性、颗粒的表面活性及与其他物质之间的相容性等 20-21。1.3.2 包覆机理对于包覆机理主要有如下几种观点 22：(1) 库仑静电引力相互吸引：包覆剂带有与基体表面相反的电荷，靠库仑引力使包覆剂颗粒吸附到被包覆颗粒表面。(2) 化学键机理：通过化学反应使基体和包覆物之间形成牢固的化学键，从而生成均匀致密的包覆层。包覆层与基体结合牢固，不易脱落，但需要基体表面具备一定的官能团。(3) 过饱和度理论：有异相物质存在时，如溶液超过它的过饱和度就会有大量的晶核立即生成，沉积到异相颗粒表面形成包覆层，此时晶体析出的浓度低于溶液中无异相物质时的浓度。1.3.3 表面包覆方法常用的包覆方法有：固相反应法、水热法、微乳液法 23、溶胶-凝胶法 24、沉淀法 25、非均相沉淀法 26等。(1) 固相反应法是把几种金属盐或金属氧化物按配方充分混合、研磨，再进行煅烧，经固相反应直接得到超细包覆粉体。(2) 水热法是在高温高压的密闭体系中，使反应前驱体得到充分的溶解，达到一定的过饱和度，从而形成生长基元，进而成核、结晶制得复合粉体。(3)微乳液包覆法首先通过 W/O(油包水)型微乳液提供的微小水核来制备需要包覆的超细粉体，然后通过微乳聚合对粉体进行包覆改性。开题报告5百手起驾 整理为您(4) 溶胶 -凝胶法是将溶质和溶剂水解或醇解反应得到的改性剂溶胶与被包覆颗粒均匀混合，经处理转变为凝胶后，在高温下煅烧得到外表面包覆有改性剂的粉体的方法。(5) 沉淀法是向含有粉体颗粒的溶液中加入沉淀剂，或者加入可以引发反应体系中沉淀剂生成的物质，使改性离子发生沉淀反应，在颗粒表面析出，从而对颗粒进行包覆。沉淀反应的包覆