论文总字数：17727字

摘 要

随着工业废水排放日益增高所带来的环境问题的到来，我们需要获取一种高效、环保、低消耗的污水治理方法。ZnFe₂O₄由于其禁带宽度较窄（1.9eV）具有较为良好的光响应范围，可以在可见光的环境下作用，并且其活性较高，因此是一种良好的光催化材料。本文采用第一性原理平面波赝势能方法，运用Material Studio软件中的Castep模块，建立ZnFe₂O₄的三维立体结构，并通过计算得到它的能带图和态密度图。随后通过溶剂热法制备ZnFe₂O₄纳米颗粒，采用XRD、TEM、紫外-漫反射等现代分析手段对晶体的结构、形貌、光吸收性质、能带等性能进行了表征。通过在300W氙灯的照射下在水溶液中光降解罗丹明B来评价样品的光催化活性。结果表明，产物为平均尺寸12nm的类立方体纳米铁酸锌颗粒，并且其可以在可见光下降解约27%的罗丹明B溶液。

关键词：ZnFe₂O₄ 光催化 第一性原理 罗丹明B溶液

Preparation and Photocatalytic Properties of Spinel-type ZnFe₂O₄

Abstract

With the arrival of environmental problems caused by increasing industrial wastewater discharge, we need to obtain an efficient, environmentally friendly, low-consumption sewage treatment method. Due to its narrow band gap (1.9eV), ZnFe₂O₄ has a good photoresponse range, it can work in the visible light environment, and its activity is high, so it is a good photocatalytic material. In this paper, the first-principles plane-wave zeta potential energy method is used, and the three-dimensional structure of ZnFe₂O₄ is established using the Castep module in Material Studio software. The energy band diagram and the density of states diagram are obtained by calculation. ZnFe₂O₄ nanoparticles were then prepared by solvothermal method. The structure, morphology, light absorption properties and energy bands of the crystals were characterized by XRD, TEM and UV-diffuse reflectance. The photocatalytic activity of the sample was evaluated by photodegradation of Rhodamine B in an aqueous solution under irradiation of a 300 W xenon lamp. The results show that the product is a cubic-like cubic nano-iron- ferrite particle with an average size of 12 nm, and it can degrade about 27% of Rhodamine B solution under visible light.

Key Words: ZnFe₂O₄；Photocatalytic；First principles Rhodamine B solution；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景介绍 1

1.2 半导体光催化剂 1

1.2.1 光催化技术概述 1

1.2.2 光催化机理 2

1.2.3 影响光催化效率的因素 3

1.3 ZnFe₂O₄光催化性能的研究进展 3

1.3.1 ZnFe₂O₄概述 3

1.3.2 铁酸锌合成方法 4

1.3.1 水热法 4

1.3.2 溶胶-凝胶法 5

1.3.3 溶液燃烧法 5

1.3.4 微波煅烧法 6

1.4 第一性原理软件介绍 6

1.4.1 软件介绍 6

1.4.2 理论研究的意义 7

1.5 本研究的目的和内容 7

1.5.1 研究目的 7

1.5.2 研究内容 7

第二章 尖晶石型ZnFe₂O₄的合成 9

2.1 尖晶石型ZnFe₂O₄的模型与计算 9

2.2 实验原料及仪器设备 9

2.2.1 实验原料 9

2.2.2 主要仪器与设备 9

2.3 尖晶石型铁酸锌合成方法 10

2.4 样品的表征 11

2.4.1 XRD 11

2.4.2 TEM和SEM 11

2.4.3 光吸收性质 11

2.4.4 光催化活性 11

第三章 尖晶石型铁酸锌的性能表征 13

3.1 第一性原理理论分析 13

3.1.1 ZnFe₂O₄结构 13

3.1.2 几何优化与计算 13

3.2 光催化活性分析 14

3.2.1 XRD 14

3.2.2 TEM 和SEM 15

3.2.3 光吸收性质 16

3.2.4 禁带宽度 16

3.2.5 光催化活性 18

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 问题与展望 20

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1 背景介绍

随着工业时代的到来，人类经济发展以及生活水平都得到了较快的发展，但随之而来的还有工业废水排放日益增高所带来的环境问题。若将未处理过的工业废水直接排放，其中的有害物质将会直接影响到河流湖泊海洋的生态环境，从而危害水体动植物，农作物以及人体的健康，故废水的处理一直环境保护的一个重点工程。工业废水由于成分复杂，种类繁多，故其处理起来相当复杂。目前传统的工业废水处理方法可分为物理法，化学法以及生物法三大类。但这些方法都存在不能根除污染物质、造成二次污染、反应条件高以及耗能高这些问题中的一种或几种，所以寻求一种低能耗、无污染的方法已经成为当务之急。光催化剂可以通过太阳光彻底将一些一些难降解的有机物分解成CO₂和水，其优点有反应条件温和，太阳能作为能源，氧化能力强，降解彻底以及无污染等^[1]。所以通过光催化技术处理工业废水已成为一个新的研究热点。

1.2 半导体光催化剂

1.2.1 光催化技术概述

自从1972年Fujishime等^[2]人研究得出TiO₂可作为催化剂在紫外光辐射下将水分解为氢气和氧气的结论以来，对于半导体光催化剂的研究引起了科学家们的广泛兴趣。因此在之后的40年中，研究者们对TiO₂这一系列光催化材料的研究取得了重大进展。但是，TiO₂在作为光催化材料时具有一定的局限性。TiO₂的禁带宽度为3.2eV，所以只有在被波长小于388nm的太阳光，也就是紫外光照射下，TiO₂才能够被激发产生电子-空穴对。所以尽管我们知道，半导体光催化剂作为替代品特别具有吸引力，因为它们能够通过太阳能彻底分解一系列难治性污染物。特别是一些金属氧化物半导体如ZnO和TiO₂表现出优异的量子效率以及高光催化活性^[3,4]。不幸的是，这些半导体光催化剂通常具有如此宽的带隙，以至于它们只能对太阳光照射的紫外区响应^[5,6]。另外，这些光催化剂的可回收性差也限制了它们的应用。为了实现可见光响应，研究人员利用不同的窄带隙光催化剂或通过元素掺杂，表面敏化和窄带隙半导体组合来扩展宽带隙半导体的光响应区^[7-9]。

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