1、项目批准号大学生研究训练（SRT）计划项目中请书项目名称：负载型纳米催化剂的制备及其性能研究申请人：王智远学院（中心）：化学工程与工艺专 业：化学化工学院指导教师：王金刚 职称 副教授申请日期：2015 年10 月9 日简表项目名称负载型纳米催化剂的制备及其性能研究项目来源VA、自立项目；B 、教师科研课题的子项目；C、其它。经费来源VA、学校资助；B、导师课题资助；C 、企业资助；申请经费1000 元起止年月2015.10-2016.10项 目 申 请 人姓 名1000性 别男民族汉出生年月1995.10学院（中心）化学化工学院专业化学工程与工2学 号班级电话电子邮件兴趣爱好特长项 目 组
2、主 要 成 员姓名性别出生年月学院专业年级项目中的 分工签字指导教师王金刚学院化学化工学院职 称副教授研究专长有机污染物处理、光催化剂的制备联系电话13153185923立项依据研究意义：工业的飞速发展对生存环境造成了极大的污染，近年来，水污染、大气污染 等日益加剧，有机污染物的降解已成为环境化学中的热点问题。目前有机污染物的处理方法主要有物理法、化学法、生物法等。物理法主要是利用吸附的方法对 有机色素进行处理，并不能降解有机物；生物法耗时长、造价高，只能对污染物 进行初级的处理；化学法可对有机污染物进行深度处理， 但成本往往较高，处理 和回收不彻底还会带来二次污染。 常用的化学法有化学混凝法
3、、光催化法、超声 处理法等1-3。相对于其他化学处理方法，光催化法反应因其高效、廉价等优点 而备受关注。目前主要研究应用的光催化剂有 TQ、ZnO等，但以P25纳米ZnO 为代表的粉末状催化剂在进行有机物降解处理时也有诸多不便，如自然环境下缺乏搅拌条件，导致催化剂沉于水底而失去作用。止匕外，粉末状催化剂还存在回收 困难、易造成浪费和二次污染的缺陷4。将纳米光催化剂负载在载体上是解决上 述问题的有效途径之一。本次研究的目的是制备一种负载型纳米光催化剂， 使其具有更高的比表面积 和更低的使用成本，使用时可悬于液体表面，提高对光的利用率，后期回收也较 为简单，可用于降解水中的有机物、清除水面浮油、染
4、料脱色等。文献报道的载 体轻质粉煤灰、空心玻化微珠等5-6,本次研究主要利用钢网为载体，利用水热 法在其表面合成具有特殊形貌纳米 ZnQ制备一种能同时进行油水分离和降解水 中有机物的复合材料，该材料具有分离速率快、易回收利用等优点，在污水处理、 油水分离等方面具有广阔的应用前景。纳米ZnO有较高的光催化活性，但也存在稳定性较差的缺陷。有文献报道7, 纳米ZnO在紫外线下易发生“光腐蚀”，造成其稳定性下降，重复利用次数减少， 目前文献中解决这一问题主要采用掺杂 N或其它贵金属的的方法网，使吸收带发 生红移。这一方法的缺点是降低了对紫外光的利用，使降解效率有所降低，本次 研究在合成负载型纳米 Zn
5、O的同时，探索在钢网表面构造一层 Nafion膜负载 ZnO,利用构造疏水性通道，在不改变吸收带的前提下，提高ZnO的抗腐蚀能力，进而提高其催化性能。现状分析：1、氧化锌的制备目前纳米氧化锌的制备主要有溶胶-凝胶法、直接沉淀法、电化学沉积法、水 热合成法、模板法等9,其中水热合成法为最常用的一种方法，该法在水热反应 釜内进行，主要用水作为反应体系的溶剂介质， 在高温高压的条件下，形成新的 形貌和新的物相。使用该方法获得的氧化锌形貌丰富、大小易控制、原料来源丰富，本次实验探究拟采用该种方法。2、纳米ZnO的不同形貌目前纳米ZnO主要以线状、片状、磁盘状、棒状等一维结构比较多10-11,如图1所示
6、，本次实验探究在钢网表面合成二维或三维六棱柱型ZnO提高其催化活性，如图二所示图一不同形貌的ZnO图二文献中钢网负载ZnO3、负载型纳米ZnO光稳定性的提高大量实当证明12, ZnO光催化剂易被空穴氧化而发生光腐蚀，且在过酸过 碱的环境下有溶解的趋势，导致其光催化活性降低，影响其光催化效率和循环使 用，目前文献中关于这一问题的解决方法鲜见报道。在ZnO表面建立亲水性通道可能是解决这一难题的有效手段，其机理如图3所示13通过离子交换和沉淀反应制备了全氟磺酸膜负载氧化锌，利用膜上的亲水性通道提高氧化锌的抗腐蚀 能力。本次研究，探索在钢网上利用 Naon膜负载ZnO,利用膜上的亲水性通道,增加抗光腐
7、蚀能力的可行性o0HiZnO图三疏水性通道提高光稳定性机理参考文献：1卢建杭.印染废水混凝脱色与染料结构与混凝剂之间的关系J.工业水处理，1999,19(4):28-302吴海宝，焦晓东.太阳能-TiO 2非均相光催化污水脱色研究J.中国环境科学，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, (2
8、39): 176-1814 Jingang 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 d
9、egradation of ciprofloxacin 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):196 - 2007 Hong
10、Baofu,et al, Photocorrosion Inhibition and Enhancement of Photocatalytic Activity forZnO via Hybridization with C60J. Environ. Sci. Technol. 2008(42):8064 -80698 Mu-Hsiang Hsu, Chi-Jung Chang. Ag-doped ZnO nanorods coated metal wire meshes as hierarchicalphotocatalysts with high visible-light driven
11、 photoactivity andphotostabilityJ. Journal of Hazardous Materials .2014(278):444 Y539成莉燕.几种负载型半导体光催化剂的制备及其对太阳光降解有机染料的催化性能D.兰州，西北师范大学.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 Solvother
12、mal Process J. J. Nanopart. 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邹彩琼等.纳米ZnO的制备、改性及光催化研究进展J.内蒙古
13、师范大学学报，2011(40): 499-50713 Jiangchun Wang, Ping Liu ,et al.Relationship between Oxygen Defects and the PhotocatalyticProperty of ZnO Nanocrystals in Nafion MembranesJ. Langmuir 2009(25):1218-122313三、项目实施方案及实施计划(实施方案、实施办法、具体实施计划及可行性分析)实施方案及办法：本次实验分为部分，一、ZnO-全氟磺酸膜的制备；二、载体钢网处理及溶 液配制；三、氧化锌品种的生长；四、氧化锌纳米柱
14、的生长；五、性能测试及 表征。一、ZnO-全氟磺酸膜的制备在室温下，通过硝酸锌溶液浸润全氟磺酸膜，然后在氢氧化钠溶液中使其 变为ZnO-全氟磺酸结构，探究利用膜上的亲水通道提高其抗光腐蚀能力，具体 机理如下：Zn2+2OH? Zn(OH)2Zn(OH ? ZnO+HOZn(OH+2OH ? Zn(OH)42-Zn(OH)42- ? ZnO+ HO +2OH然后探索将其应用于钢网表面，在钢网表面制备抗光腐蚀的氧化锌纳米催 化剂。二、载体钢网处理及溶液配制以300目的钢网为载体，配制不同浓度的硝酸锌、六亚甲基四胺，分别探 究其对钢网表面氧化锌品种的影响。三、氧化锌品种的生长将洗净的钢网在醋酸锌溶液
15、中通过煨烧等，生长上一层纳米氧化锌品种。 探究不同溶液浓度、不同的加热时间对其生长的影响，及对后期晶体柱生长的 影响。四、氧化锌纳米柱的生长利用水热法生长出氧化锌纳米柱，水热法原料来源广泛，可探究不同锌 源的晶体柱形状。如：锌源用锌粉、硝酸锌、氯化锌、醋酸锌或者锌片等， 所用的碱性环境也可以用多种碱性物质，如强碱氢氧化钠、氨水或者其他可 提供碱性环境的胺类（诸如六次甲基四胺、乙二胺、乙醇胺等等），另外，为 了更好地控制和引导形貌的形成，也会添加一些表面活性剂物质（如竣甲基纤 维素、柠檬酸钠等）。所以，使用该方法合成得到的氧化锌结构的形貌特别丰 富，产品的纯度很高，形貌尺寸大小也易控制。水热法所
16、用实验装置五、性能测试及表征1、ZnO羊品的表征该样品主要通过扫描电子显微镜（SEM剂透射电子显微镜（TEM）进行表征。并 利用X射线衍射仪对该样品进行XRDW相分析。采用接触角测定表征包覆氧化 锌的钢丝网的浸润性。以此来判断其油水分离的效果。2、催化性能测试比较不同条件下制备的钢网表面负载氧化锌在紫外线下对罗丹明B的降解效果及稳定性，找出最佳制备条件。具体实施计划先分别探究不同浓度的“种子溶液”及水热合成条件对氧化锌晶形生长的 影响，找出最佳条件，在此条件下，探究如何提高其光稳定性及对紫外线的利 用率。可行性分析ZnO具有无毒、原料易得、制备成本低和生物相容性良好等优点，应用广 泛，尤其在光
17、催化降解有毒有机污染物方面逐渐显现出优势。已有报道表明， ZnO在降解生物难降解的有毒有机污染物方面比广泛研究的TiO2表现出更高的光催化活性和量子产率，被认为是极具应用前景的高活性光催化剂之一。本次试验采用水热法合成纳米氧化锌，水热合成法条件比较温和，在实验 室条件下可以顺利进行，经过前期的探索，已经在钢网表面合成出六方柱型纳 米氧化锌，具备一定的研究基础，后期主要进行最佳制备条件的探索及光稳定 性的提高。四、预期成果1、探索出钢网表面负载纳米氧化锌的最佳制备条件，在较温和的条件下制备出能够同时进行油水分离和降解水中有机污染物的纳米氧化锌复合材料，该材料具有应用范围广、廉价无毒、降解效率高、
18、易于回收等优点。2、完成其性能测试及表征。探究出具催化机理及晶体形成生长的条件。3、利用在载体表面构建亲水通道，提高纳米氧化锌的抗光腐蚀及酸碱腐蚀的能力，进而解决其循环率及对光的利用效率问题。五、本项目的特点与创新之处特点：本项目利用廉价的材料合成高效、可回收的纳米氧化锌催化剂，对我 国目前的水污染等问题提出解决思路，该方法利用光催化机理对有机印染污水 进行处理，成本低廉，克服了传统的物理方法、生物方法造价高、效率低、易 造成二次污染等缺点，具有实际的应用价值。创新之处：文献中有研究提高氧化锌光稳定性的，有制备氧化锌光催化剂的, 但如何将二者有机的结合起来，目前文献中鲜有报道，本项目在钢网表面
19、合成 纳米氧化锌光催化剂的同时，提高其光稳定性，增加其实际应用性。六、研究基础1 .负责人与本项目相关的专业知识积累和已取得的成绩；指导教师的教学、 科研工作积累和已取得的工作成绩；项目组成员的学习情况。项目负责人王智远对光催化机理、纳米晶型的生长有一定的研究，阅读 过大量相关文献，并对该项目有过前期的探索铺垫。项目组各成员学习成绩优异，对自己负责的领域也有一定的了解。各成 员认真负责，对该项目具有极大的热情。指导教师王金刚老师教学成果突出，具备多年指导 SRT的经验，研究的 主要领域为纳米催化剂的制备。在光催化、无机纳米材料的制备的相关领域 具有一定的研究成果。2 .已具备的条件、尚缺少的条
20、件和拟解决的途径（包括利用教学实验室、科研实验室和实习基地等的计划与落实情况）已具备条件：实验室已具备水热合成氧化锌的基本条件，药品试剂也基本具备。尚缺少条件：由于实验具有较强的探索性，需对各种浓度、温度进行探究, 实验室仪器不足、表征设备欠缺。解决途径：充分利用公共实验资源，购买一批新的药品及设备。七、经费预算支出科目金额 （元）计算根据及理由电镜测试500低分辨电镜6次，约为300元；XRD紫外约为200元试齐1500实验耗材200元、硝酸锌、醋酸锌约200元总计八、审查意见指导 教师 意见载体表面纳米催化剂的制备具有重要的实际意义，既能避免自然 条件对催化剂使用时的苛刻要求，又能实现光催
21、化剂的可回收利用 性，肩望在实际工作中得到应用。本项目的工作主要是进行车啊表面纳米 ZnO的制备方法研究，本 项目将对其光稳定性进行提升，提高氧化锌抗光腐蚀能力及循环利 用率，获得性能良好的负载型光催化剂。本项目组学生均学有余力，渴望学习之余在专业上提升自己， 经过一段时间以来的学习锻炼已具备了基本的实验研究能力，可望 在教师指导下顺利完成课题。指导教师签名：年 月 日学院 （中心） 意见负责人签名、公章：年 月 日学校 意见负责人签名、公章：年 月 日备注七、申请者承诺我保证上述填报内容的真实性。 如果获得资助， 我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，保证项目研究工作的时间， 并按计划认真开展研究工作， 在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。：年月日
