摘要
环境污染问题和能源短缺问题受到人们越来越多的关注，通过开发新能源去处理环境污染可以更好的解决这两大问题。水是生命之源，但随着印染行业、纺织行业等的快速发展，染料废水的产生量每年都在增长。染料分子是大分子较难降解，并且如果没有处理就排放到环境中，会对环境造成严重的污染，还会危害人类的健康。对于水污染的处理，现在研究最为广泛的是通过光催化技术降解染料大分子。光催化主要是利用光能在材料表面产生光生载流子与溶液中的O2和OH-反应生成强氧化物来降解染料。尽管光能是绿色可再生能源，但是光催化在实际的应用中还存在着很多的限制，比如在黑暗环境中无响应，对于深色染料透光率低等。自然界中除了有光能，振动能也是一种绿色无污染的能源，理论上振动能也可以用于催化。压电催化就是通过振动使压电材料表面产生正负电荷与溶液中的O2和OH-反应生成强氧化物来实现催化降解染料的。钙钛矿结构的铁电材料，具有热稳定性好，成本低等优点。近几年，钙钛矿结构的铁电材料在催化中得到了广泛的应用，表现出了良好的压电催化性能。锡酸锌（ZnSnO3）是典型的钙钛矿结构的铁电材料，具有无铅，超高剩余极化（Ps～59μC·cm-2），制备简单等优点。ZnSnO3具有很好的压电效应，但是对ZnSnO3压电催化降解染料的报道较少。所以本项目主要研究了ZnSnO3的压电催化降解染料的性能及如何进一步提高其压电催化性能。 在本工作中，采用了共沉淀法合成了ZnSnO3纳米颗粒。探究了ZnSnO3纳米颗粒压电催化降解罗丹明B（RhB）染料的机理，并且在此基础上通过混合一定比例石墨（C）和光-压电协同催化两种途径来促进载流子迁移进一步提升其催化活性。主要工作内容如下： 1.ZnSnO3纳米颗粒压电催化 研究ZnSnO3压电催化降解RhB染料的机理。在压电催化60min，ZnSnO3对RhB 的降解率为～97.6%。压电催化主要是通过振动使压电材料表面产生正负电荷与溶液中的氧气和氢氧根反应生成强氧化物来降解染料。通过改变溶液的pH值，催化剂的用量，发现在溶液为中性时，催化剂剂量50mg时压电催化效果最好。对不同的染料做了压电催化实验，发现对不同的染料都有明显的催化效果。 2.ZnSnO3纳米颗粒混合石墨（C）的压电催化 将ZnSnO3纳米颗粒与一定比例的C混合，得到ZnSnO3和C的混合材料（ZnSnO3/C）。通过压电催化降解RhB来评估ZnSnO3/C的催化性能。在混合C比例为3%时，压电催化效果达到最佳，反应速率常数达到～0.098min-1，远高于未混合C的ZnSnO3的速率常数～0.021min-1。通过实验可知混合C可以很明显的提升ZnSnO3的压电催化性能，其可能的物理机理是压电催化过程中，C转移了ZnSnO3表面产生的负电荷，促进了电荷的分离，减缓了正负电荷的复合。 3.ZnSnO3纳米颗粒光-压电协同催化 研究ZnSnO3纳米颗粒光-压电协同催化降解RhB的催化机理。光-压电协同催化降解RhB染料的速率常数k为～0.083min-1，远高于压电催化的～0.035min-1或光催化的～0.004min-1。光-压电协同催化提高了其催化性能，可能的原因是ZnSnO3材料在振动激励下在材料表面产生了压电势，压电势的存在减少了光生载流子的复合，提高了ZnSnO3的催化性能。
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