1、項目批準(zhǔn)號大學(xué)生研究訓(xùn)練（SRT）計劃項目申請書項目名稱： 負載型納米催化劑的制備及其性能研究 申 請 人： 王智遠 學(xué)院（中心）： 化學(xué)工程與工藝 專 業(yè)： 化學(xué)化工學(xué)院 指導(dǎo)教師: 王金剛 職稱 副教授 申請日期： 2015 年 10 月 9 日一、 簡表項目名稱負載型納米催化劑的制備及其性能研究項目來源A、自立項目； B、教師科研課題的子項目； C、其它。經(jīng)費來源A、學(xué)校資助 ； B、導(dǎo)師課題資助； C、企業(yè)資助；申請經(jīng)費1000元起止年月2015.10-2016.10項目申請人姓 名1000性別男民族漢出生年月1995.10學(xué)院（中心）化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)化學(xué)工程與工藝學(xué) 號班級電話電子郵

2、件興趣愛好特長項目組主要成員姓名性別出生年月學(xué)院專業(yè)年級項目中的分工簽字指導(dǎo)教師王金剛學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院職 稱副教授研究專長有機污染物處理、光催化劑的制備聯(lián)系電、 立項依據(jù)研究意義：工業(yè)的飛速發(fā)展對生存環(huán)境造成了極大的污染，近年來，水污染、大氣污染等日益加劇，有機污染物的降解已成為環(huán)境化學(xué)中的熱點問題。目前有機污染物的處理方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法等。物理法主要是利用吸附的方法對有機色素進行處理，并不能降解有機物；生物法耗時長、造價高，只能對污染物進行初級的處理；化學(xué)法可對有機污染物進行深度處理，但成本往往較高，處理和回收不徹底還會帶來二次污染。常用的化學(xué)法有化學(xué)

3、混凝法、光催化法、超聲處理法等1-3。相對于其他化學(xué)處理方法，光催化法反應(yīng)因其高效、廉價等優(yōu)點而備受關(guān)注。目前主要研究應(yīng)用的光催化劑有TiO2、ZnO等,但以P25、納米ZnO為代表的粉末狀催化劑在進行有機物降解處理時也有諸多不便，如自然環(huán)境下缺乏攪拌條件，導(dǎo)致催化劑沉于水底而失去作用。此外，粉末狀催化劑還存在回收困難、易造成浪費和二次污染的缺陷4。將納米光催化劑負載在載體上是解決上述問題的有效途徑之一。本次研究的目的是制備一種負載型納米光催化劑，使其具有更高的比表面積和更低的使用成本，使用時可懸于液體表面，提高對光的利用率，后期回收也較為簡單，可用于降解水中的有機物、清除水面浮油、染料脫色等

4、。文獻報道的載體輕質(zhì)粉煤灰、空心?；⒅榈?-6，本次研究主要利用鋼網(wǎng)為載體，利用水熱法在其表面合成具有特殊形貌納米ZnO，制備一種能同時進行油水分離和降解水中有機物的復(fù)合材料，該材料具有分離速率快、易回收利用等優(yōu)點，在污水處理、油水分離等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。納米ZnO有較高的光催化活性，但也存在穩(wěn)定性較差的缺陷。有文獻報道7，納米ZnO在紫外線下易發(fā)生“光腐蝕”，造成其穩(wěn)定性下降，重復(fù)利用次數(shù)減少，目前文獻中解決這一問題主要采用摻雜N或其它貴金屬的的方法8，使吸收帶發(fā)生紅移。這一方法的缺點是降低了對紫外光的利用，使降解效率有所降低，本次研究在合成負載型納米ZnO的同時，探索在鋼網(wǎng)表面構(gòu)造

5、一層Nafion膜負載ZnO,利用構(gòu)造疏水性通道，在不改變吸收帶的前提下，提高ZnO的抗腐蝕能力，進而提高其催化性能?，F(xiàn)狀分析： 1、氧化鋅的制備目前納米氧化鋅的制備主要有溶膠-凝膠法、直接沉淀法、電化學(xué)沉積法、水熱合成法、模板法等9，其中水熱合成法為最常用的一種方法，該法在水熱反應(yīng)釜內(nèi)進行，主要用水作為反應(yīng)體系的溶劑介質(zhì)，在高溫高壓的條件下，形成新的形貌和新的物相。使用該方法獲得的氧化鋅形貌豐富、大小易控制、原料來源豐富，本次實驗探究擬采用該種方法。2、納米ZnO的不同形貌目前納米ZnO主要以線狀、片狀、磁盤狀、棒狀等一維結(jié)構(gòu)比較多10-11，如圖1所示，本次實驗探究在鋼網(wǎng)表面合成二維或三維

6、六棱柱型ZnO,提高其催化活性，如圖二所示。圖一 不同形貌的ZnO圖二 文獻中鋼網(wǎng)負載ZnO 3、負載型納米ZnO光穩(wěn)定性的提高 大量實驗證明12，ZnO光催化劑易被空穴氧化而發(fā)生光腐蝕，且在過酸過堿的環(huán)境下有溶解的趨勢，導(dǎo)致其光催化活性降低，影響其光催化效率和循環(huán)使用，目前文獻中關(guān)于這一問題的解決方法鮮見報道。在ZnO表面建立親水性通道可能是解決這一難題的有效手段，其機理如圖3所示13通過離子交換和沉淀反應(yīng)制備了全氟磺酸膜負載氧化鋅，利用膜上的親水性通道提高氧化鋅的抗腐蝕能力。本次研究，探索在鋼網(wǎng)上利用Nafion膜負載ZnO,利用膜上的親水性通道，增加抗光腐蝕能力的可行性。圖三 疏水性通道

7、提高光穩(wěn)定性機理參考文獻：1 盧建杭.印染廢水混凝脫色與染料結(jié)構(gòu)與混凝劑之間的關(guān)系J.工業(yè)水處理，1999,19（4）：28-302 吳海寶，焦曉東.太陽能-TiO2非均相光催化污水脫色研究J.中國環(huán)境科學(xué)，1997,17（1）：93-953 Fan X M, Lian J S, Guo Z X. Microstructure and photoluminescence properties of ZnO thin films grown by PLD on Si(111) substrates J. Appl. Surf. Sci, 2005, (239): 176-1814 Jingang

8、 Wang ,Bin He ,Xiang Z.Kong . A study on the preparation of floating photocatalyst supported by hollow TiO2 and its performanceJ. Appl. Surf. Sci.,2015(327):406-4125 Wu D,Huo PW, Lu ZY, Gao X, et,al, Preparation of heteropolyacid/TiO2/fly-ash-cenosphere photocatalyst for the degradation of ciproflox

9、acin from aqueous solutionsJ. Appl. Surf. Sci, 2012(258):7008-70156 Huo PW, Yan YS, Li ST, Li HM, Huang WH. Floating photocatalysts of fly-ash cenospheres supported AgCl/TiO2 films with enhanced Rhodamine B photodecomposition activityJ. Desalination .2010(256):1962007 Hong Baofu,et al, Photocorrosio

10、n Inhibition and Enhancement of Photocatalytic Activity for ZnO via Hybridization with C60J. Environ. Sci. Technol. 2008(42):806480698 Mu-Hsiang Hsu, Chi-Jung Chang. Ag-doped ZnO nanorods coated metal wire meshes as hierarchicalphotocatalysts with high visible-light driven photoactivity andphotostab

11、ilityJ. Journal of Hazardous Materials .2014(278):4444539 成莉燕.幾種負載型半導(dǎo)體光催化劑的制備及其對太陽光降解有機染料的催化性能D.蘭州，西北師范大學(xué).200810 Y. F. Lin, J. L. Chen, K. S. Chang, et al. Insight Into the Roles of Ethylenediamine and Hydrazine for the Synthesis of ZnO Micro/Nanostructures Using Solvothermal Process J. J. Nanopart.

12、 Res., 2013, 15(1): 1391-139811 R. Yousefi, A. K. Zak. Growth and Characterization of ZnO Nanowires Grown on the Si(111) and Si(100) Substrates: Optical Properties and Biaxial Stress of Nanowires J. Mat. Sci. Semicon. Proc, 2011, 14(2): 170-17412 鄒彩瓊等. 納米ZnO的制備、改性及光催化研究進展J.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報，2011（40）：499-507

13、13 Jiangchun Wang, Ping Liu ,et al.Relationship between Oxygen Defects and the Photocatalytic Property of ZnO Nanocrystals in Nafion MembranesJ. Langmuir 2009(25):1218-1223三、項目實施方案及實施計劃（實施方案、實施辦法、具體實施計劃及可行性分析） 實施方案及辦法： 本次實驗分為部分，一、ZnO-全氟磺酸膜的制備；二、載體鋼網(wǎng)處理及溶液配制；三、氧化鋅晶種的生長；四、氧化鋅納米柱的生長；五、性能測試及表征。 一、ZnO-全氟磺

14、酸膜的制備 在室溫下，通過硝酸鋅溶液浸潤全氟磺酸膜，然后在氫氧化鈉溶液中使其變?yōu)閆nO-全氟磺酸結(jié)構(gòu)，探究利用膜上的親水通道提高其抗光腐蝕能力，具體機理如下：Zn2+2OH Zn(OH)2 Zn(OH)2 ZnO+H2O Zn(OH)2+2OH- Zn(OH)42- Zn(OH)42- ZnO+ H2O +2OH-然后探索將其應(yīng)用于鋼網(wǎng)表面，在鋼網(wǎng)表面制備抗光腐蝕的氧化鋅納米催化劑。 二、載體鋼網(wǎng)處理及溶液配制以300目的鋼網(wǎng)為載體，配制不同濃度的硝酸鋅、六亞甲基四胺，分別探究其對鋼網(wǎng)表面氧化鋅晶種的影響。三、氧化鋅晶種的生長將洗凈的鋼網(wǎng)在醋酸鋅溶液中通過煅燒等，生長上一層納米氧化鋅晶種。探究

15、不同溶液濃度、不同的加熱時間對其生長的影響，及對后期晶體柱生長的影響。四、氧化鋅納米柱的生長 利用水熱法生長出氧化鋅納米柱，水熱法原料來源廣泛，可探究不同鋅源的晶體柱形狀。如：鋅源用鋅粉、硝酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅或者鋅片等，所用的堿性環(huán)境也可以用多種堿性物質(zhì)，如強堿氫氧化鈉、氨水或者其他可提供堿性環(huán)境的胺類 (諸如六次甲基四胺、乙二胺、乙醇胺等等)，另外，為了更好地控制和引導(dǎo)形貌的形成，也會添加一些表面活性劑物質(zhì)(如羧甲基纖維素、檸檬酸鈉等)。所以，使用該方法合成得到的氧化鋅結(jié)構(gòu)的形貌特別豐富，產(chǎn)品的純度很高，形貌尺寸大小也易控制。 水熱法所用實驗裝置五、性能測試及表征1、ZnO樣品的表征 該樣

16、品主要通過掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進行表征。并利用X射線衍射儀對該樣品進行XRD物相分析。采用接觸角測定表征包覆氧化鋅的鋼絲網(wǎng)的浸潤性。以此來判斷其油水分離的效果。 2、催化性能測試 比較不同條件下制備的鋼網(wǎng)表面負載氧化鋅在紫外線下對羅丹明B的降解效果及穩(wěn)定性，找出最佳制備條件。具體實施計劃先分別探究不同濃度的“種子溶液”及水熱合成條件對氧化鋅晶形生長的影響，找出最佳條件，在此條件下，探究如何提高其光穩(wěn)定性及對紫外線的利用率?？尚行苑治?ZnO 具有無毒、原料易得、制備成本低和生物相容性良好等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛，尤其在光催化降解有毒有機污染物方面逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢。已有報道表

17、明，ZnO在降解生物難降解的有毒有機污染物方面比廣泛研究的TiO2表現(xiàn)出更高的光催化活性和量子產(chǎn)率,被認為是極具應(yīng)用前景的高活性光催化劑之一。 本次試驗采用水熱法合成納米氧化鋅，水熱合成法條件比較溫和，在實驗室條件下可以順利進行，經(jīng)過前期的探索，已經(jīng)在鋼網(wǎng)表面合成出六方柱型納米氧化鋅，具備一定的研究基礎(chǔ)，后期主要進行最佳制備條件的探索及光穩(wěn)定性的提高。四、預(yù)期成果 1、探索出鋼網(wǎng)表面負載納米氧化鋅的最佳制備條件，在較溫和的條件下制備出能夠同時進行油水分離和降解水中有機污染物的納米氧化鋅復(fù)合材料，該材料具有應(yīng)用范圍廣、廉價無毒、降解效率高、易于回收等優(yōu)點。2、完成其性能測試及表征。探究出其催化機

18、理及晶體形成生長的條件。3、利用在載體表面構(gòu)建親水通道，提高納米氧化鋅的抗光腐蝕及酸堿腐蝕的能力，進而解決其循環(huán)率及對光的利用效率問題。五、本項目的特點與創(chuàng)新之處 特點：本項目利用廉價的材料合成高效、可回收的納米氧化鋅催化劑，對我國目前的水污染等問題提出解決思路，該方法利用光催化機理對有機印染污水進行處理，成本低廉，克服了傳統(tǒng)的物理方法、生物方法造價高、效率低、易造成二次污染等缺點，具有實際的應(yīng)用價值。 創(chuàng)新之處：文獻中有研究提高氧化鋅光穩(wěn)定性的，有制備氧化鋅光催化劑的，但如何將二者有機的結(jié)合起來，目前文獻中鮮有報道，本項目在鋼網(wǎng)表面合成納米氧化鋅光催化劑的同時，提高其光穩(wěn)定性，增加其實際應(yīng)用

19、性。六、研究基礎(chǔ)1. 負責(zé)人與本項目相關(guān)的專業(yè)知識積累和已取得的成績；指導(dǎo)教師的教學(xué)、科研工作積累和已取得的工作成績；項目組成員的學(xué)習(xí)情況。 項目負責(zé)人王智遠對光催化機理、納米晶型的生長有一定的研究，閱讀過大量相關(guān)文獻，并對該項目有過前期的探索鋪墊。 項目組各成員學(xué)習(xí)成績優(yōu)異，對自己負責(zé)的領(lǐng)域也有一定的了解。各成員認真負責(zé)，對該項目具有極大的熱情。 指導(dǎo)教師王金剛老師教學(xué)成果突出，具備多年指導(dǎo)SRT的經(jīng)驗，研究的主要領(lǐng)域為納米催化劑的制備。在光催化、無機納米材料的制備的相關(guān)領(lǐng)域具有一定的研究成果。2. 已具備的條件、尚缺少的條件和擬解決的途徑（包括利用教學(xué)實驗室、科研實驗室和實習(xí)基地等的計劃與落實情況）已具備條件：實驗室已