关键词：
纳米复合材料
ZnO
TiO2
光催化降解
染料污染物
摘要：
水是生命之源,没有水,生命将无法生存。除了饮用外,水在家庭和工业活动中也至关重要。然而,染料、纺织、造纸和制革等行业消耗大量淡水并产生大量废水,导致有害影响,并对生物构成严重威胁。本研究重点是利用氧化物半导体纳米结构,即氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO2）纳米结构,降解染料行业的废水。这些纳米结构通过简单的湿化学技术制备,并应用于降解染料,包括亚甲基蓝（MB）、孔雀石绿（MG）和罗丹明-B（Rh-B）。在氧化物半导体中,ZnO和TiO2是作为光催化剂的突出选择。然而,由于它们的宽带隙、电子和空穴对的快速复合率、有限的稳定性和表面活性位点,它们的效率仍然受到限制。通过复合系统、表面处理和复合形成等策略,可以帮助克服这些限制,并制备出高性能的光催化材料用于降解污染物。因此,本研究采用了低成本、高效、丰富且新颖的助催化剂,包括从车前子壳和废轮胎中提取的活性炭（AC）作为助催化剂。
第二章研究了车前子壳在改变ZnO材料的形状取向、颗粒尺寸、光学和表面性能方面的作用。制备了车前子壳修饰的ZnO微结构,并将所得结构应用于在紫外光照射下消除MB染料作为模型污染物。在此过程中添加车前子壳在热燃烧后向ZnO纳米材料中引入了碳。碳的存在增强了光催化降解MB的光催化活性。最大剂量的车前子壳辅助ZnO表现出几乎完全的污染物去除效果,取得了显著降解效果。SEM结果证实,即使掺杂剂发生变化,结构的形态也没有明显变化。XRD结果证实,掺杂ZnO的峰与不同浓度的掺杂ZnO趋势一致。采用BET（Brunauer-Emmett-Teller）方法测定材料的比表面积,提供了其吸附能力和整体表面性能的关键见解。同时,采用BJH（Barrett-Joyner-Halenda）方法分析了介孔结构,提供了关于孔径分布和介孔性的详细信息,这对于理解材料在催化中的潜力至关重要。气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术也被用于鉴定MB染料、中间体和副产物,从而全面分析材料在分解MB方面的效率,并阐明潜在的反应途径。这些发现突显了车前子壳在表面粗糙度、形态改变和晶体结构缺陷对增强微结构材料功能至关重要的应用中的巨大潜力。
第三章讨论了通过添加从废轮胎中提取的AC合成ZnO@AC纳米复合材料,并将其作为光催化剂在紫外光下使用。研究了不同AC含量对ZnO性能的影响,包括协同效应、表面改性、可调光学性能和晶体结构。研究通过低分辨率扫描电子显微镜、粉末X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱和光致发光技术,考察了ZnO@AC纳米复合材料的形态、晶体质量、光学和发光特性。SEM结果显示,即使添加了8 mg的复合系统,结构的形态也没有明显变化。XRD结果证实,掺杂ZnO的峰与纯ZnO在不同浓度下的趋势一致。分别采用BET和BJH方法分析了比表面积和介孔性质。由于AC量的增加,ZnO的光学带隙从3.15 e V（纯ZnO）降低到2.73 e V,从而在紫外光照射下充分利用光子,实现了对MG染料的高效降解。最大AC量的光催化降解效率表现出色。此外,通过改变染料的初始浓度(从10.9×10-5 M到8.22×10-5 M)测量了ZnO@AC纳米复合材料的光催化性能,发现该复合材料在低浓度MG下具有良好的活性。在不同pH值（即3、9和12）下测量了制备的纳米复合材料的pH效应,观察到在pH 12时光催化降解效率最高（100%）。此外,利用GC-MS技术鉴定了MG染料、降解中间体和矿化副产物。提出了MG光催化降解的可能机制,包括N-脱乙基化、共轭结构分解、环裂解和羟基化等过程。
接下来,在第四章中,AC与TiO2结合形成TiO2@AC纳米复合材料,并作为光催化剂在紫外光照射下降解Rh-B染料。展示了在TiO2的溶剂热合成过程中使用不同量的AC来改变形状结构、颗粒尺寸、表面积和光学性能。SEM结果显示,即使AC浓度达到6 mg,结构的形态也没有明显变化。XRD结果证实了TiO2@AC纳米复合材料的双相（锐钛矿/金红石）结构,其中掺杂TiO2的峰随着复合系统浓度的增加从金红石相向锐钛矿相变化。纳米复合材料的光学带隙在直接法（金红石相）中降低至2.70 e V,在间接法（锐钛矿相）中降低至2.29 e V,这是由于AC量的增加导致在紫外光照射下充分利用光子,从而实现了对Rh-B的高效降解。结果表明,AC对TiO2去除Rh-B染料具有显著影响。最大AC浓度（6 mg）下实现了99.14%的最高效率,几乎完全去除了Rh-B染料。GC-MS结果显示,Rh-B的光催化降解经历了脱乙基化、发色团裂解和矿化等步骤。此外,还分析了纳米复合材料的BET比表面积、BJH平均孔径和平均孔径。
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