纳米CeO2光催化材料合成与性能研究

摘要由于工业的快速发展等因素，水污染问题已日趋严重。如何高效率的降解各类生产过程中产生的有机染料与污染物，成为了阻碍人类可持续发展的一大难题。光催化技术是一种利用光能降解有机污染物的有效方法，具有无毒无污染、反应条件温和等优点，纳米氧化物半导体是应用较多且最有效的光催化剂之一。稀土氧化物半导体二氧化铈（CeO2）具有储量丰富、价格低廉、物理化学性质稳定等优点。由于 Ce 元素具有特殊的 4f 电子轨道，因此 CeO2中存在着氧化还原电子对 Ce3+/Ce4+并具有较强的氧化还原能力，这对于提高光催化性能有很大帮助。由于 Ce3+以及尺寸效应的存在，CeO2纳米材料中存在着大量氧缺陷，这使其具有较高的光催化性能。本文通过利用金属有机框架合成路线制备 Ce-MOF 并获得具有较大表面积的多孔 CeO2光催化材料，提高其光吸收范围与光催化降解有机污染物效率。主要的研究内容和获得结论如下：1. 首先，利用溶剂热法，以 Ce(NO3)3·6H2O 为铈源、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和柠檬酸为协同模板合成了 Ce-MOF。通过控制螯合剂柠檬酸的用量，制备了具有规则形貌的 Ce-MOF 球状纳米材料。此后，通过将制得的 Ce-MOF 在空气中煅烧，获得了具有高比表面积及孔隙率的多孔纳米 CeO2光催化剂。经 X 射线衍射分析可知，制得的样品结晶度较高，未发现杂质峰出现。通过扫描电子显微镜观察，发现在不同柠檬酸用量下制得样品的形貌不同。当柠檬酸用量为 0.5g 时，所得样品形貌最佳，粒径约为0.6μm 至 0.8μm 的规则球形。通过氮气吸附-脱附等温线比表面积测试测得样品比表面积为 43.49m2/g 且介孔孔径集中在 2.45nm 左右。2. 为进一步探究制得的多孔纳米 CeO2光催化剂样品的物理化学性质以及光催化性能，通过多种测试手段对其结构与性能进行了较为系统地表征与分析。利用 X 射线光电子能谱及光致发光光谱分析发现：样品中 Ce3+占比为 66.395%，且存在大量氧空位，氧空位与晶格氧的比值约为 49.53%。利用紫外-可见光漫反射光谱分析可知：制得样品的禁带宽度约为 3.0eV，对波长小于 410nm 的太阳光具有良好的吸收能力。通过瞬时光电流和光致发光光谱分析，发现样品中的光生载流子具有较强的分离效率以及良好的稳定性。CeO2光催化剂样品在紫外光照射下对有机污染物的降解具有较高催化活性，60min 内对 10mg/L 甲基橙和亚甲基蓝的降解率分别为 67%和 80%，反应速率常数分别为 0.01815min-1和 0.0263min-1。关键词...