CoWO4微晶的制備及性能研究.pdf

1、目前，工業(yè)經(jīng)濟(jì)部門的快速發(fā)展對自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染問題。人類依賴的生活環(huán)境逐漸惡化，治理環(huán)境污染問題變得非常迫切。近些年來，采用光催化材料降解各種有機(jī)污染物的效果十分明顯。并且光催化材料也從最初的 TiO2系列逐步向更多種類發(fā)展。尤其獲得相關(guān)研究者們青睞的材料種類就包含鎢酸鹽系列光催化材料。
　　在此基礎(chǔ)上，本課題針對鎢酸鈷粉體材料進(jìn)行了相關(guān)研究，其中涉及到合成制備方法研究、材料晶體結(jié)構(gòu)表征與微觀形貌控制分析、光學(xué)性能研究、應(yīng)

2、用潛力探索以及微波水熱化學(xué)反應(yīng)過程分析等諸多方面。
　　一般而言，AWO4型二價過渡金屬鎢酸鹽系列材料的晶體結(jié)構(gòu)隨著陽離子(A2+)半徑的不同或者形成四方晶系白鎢礦結(jié)構(gòu)，或者形成黑鎢礦結(jié)構(gòu)。而CoWO4則優(yōu)先結(jié)晶成黑鎢礦結(jié)構(gòu)，屬于P2/c單斜晶系空間群。
　　在合成制備方法研究方面，在綜合分析論述各種納米材料制備方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，采用微波水熱法合成制備鎢酸鈷納米材料，同時還研究了前驅(qū)溶液不同pH值、不同反應(yīng)溫度、不同反應(yīng)時間

3、等多種工藝條件對反應(yīng)產(chǎn)物的變化規(guī)律。并且根據(jù)XRD測試數(shù)據(jù)，特征衍射峰的結(jié)晶位置與標(biāo)準(zhǔn)卡片相一致(JCPDS No.72-0479)。進(jìn)行相關(guān)分析后，可以證明微波水熱法是一種合成制備 CoWO4納米粉體材料的可靠可控方法。并且制備出的 CoWO4晶體的晶格常數(shù)為a=4.9478nm，b=5.6827nm，c=4.6694nm，α=β=γ=90°，屬于單斜晶系。SEM分析結(jié)果表明CoWO4納米粉體材料呈現(xiàn)出顆粒狀并且在一定程度上形成了團(tuán)聚

4、現(xiàn)象。合成制備工藝研究指出前驅(qū)液pH值的變化會顯著影響最終產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)前驅(qū)液pH值小于等于2時，生成了鎢氧化合物材料；而當(dāng)前驅(qū)液 pH值從3變化到5.5時，形成了一種Co4W6O21(OH)2?4H2O產(chǎn)物，與標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS No.47-0142相符，晶格常數(shù)為a=1.2858nm，屬于立方晶系；當(dāng)前驅(qū)液pH值介于6到8之間，形成了一種 CoWO4晶體材料；當(dāng)調(diào)節(jié)前驅(qū)液的 pH值大于等于9時，形成 CoO或Co(OH)2產(chǎn)物。

5、除此之外，產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌同時還要受到反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時間的影響。當(dāng)反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行時，同時反應(yīng)時間相對短暫時，產(chǎn)物的結(jié)晶過程并不完全，微觀形態(tài)分布不均一。提高反應(yīng)溫度并延長反應(yīng)時間對于最終產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)的形成發(fā)育有促進(jìn)作用。綜合考慮工藝參數(shù)變化范圍以及成本效率等因素，確定出前驅(qū)液 pH值為 pH=8、微波水熱反應(yīng)溫度為T=170℃、微波水熱反應(yīng)時間為t=80min的條件為制備CoWO4材料的最優(yōu)工藝。前驅(qū)液pH值為pH=4

6、、微波水熱反應(yīng)溫度為T=170℃、微波水熱反應(yīng)時間為t=80min的條件為制備Co4W6O21(OH)2?4H2O材料最優(yōu)工藝。
　　在光催化性能研究方面，采用紫外可見吸收光譜(UV-vis)以及熒光光譜(PL)對鎢酸鈷粉體材料的性能進(jìn)行了檢測、表征與分析。研究結(jié)果表明CoWO4在225-375nm的紫外光區(qū)和550-600nm的可見光區(qū)存在兩個吸收峰；Co4W6O21(OH)2?4H2O在波長為250nm的近紫外區(qū)和波長為550

7、nm左右的可見光區(qū)存在兩個主峰；并且兩種結(jié)構(gòu)在近紫外區(qū)的吸收峰率大于后者；同時結(jié)合朗伯-比爾定律以及Kubelka-Munk公式測試出CoWO4納米晶體的禁帶寬度約為3.41eV，而Co4W6O21(OH)2?4H2O微晶的禁帶寬度為3.18-3.81eV。
　　在應(yīng)用領(lǐng)域研究方面，對兩種不同晶體結(jié)構(gòu)的鎢酸鈷的光催化性能以及CoWO4的微波陶瓷介電性能進(jìn)行了探索研究。在介于0.05-0.5mol/L的范圍內(nèi)配制兩種不同溶液，并且以

8、羅丹明B(Rh.B)、甲基橙(MO)和亞甲基藍(lán)(MB)模擬代表典型有機(jī)污染物分子，測量在暗反應(yīng)條件下以及汞燈光照條件下兩種介質(zhì)對有機(jī)染料的光催化降解能力。結(jié)果表明，CoWO4粉體在光照條件下對亞甲基藍(lán)(MB)染料表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力，對甲基橙(MO)的光催化能力較弱，而對羅丹明B（Rh.B）染料幾乎無降解能力。而Co4W6O21(OH)2?4H2O微晶對甲基橙(MO)和羅丹明B(Rh.B)染料基本無光催化降解能力，對亞甲基藍(lán)(MB)染料

9、則表現(xiàn)出比較強(qiáng)的吸附能力，并且在不同 pH條件下制備的Co4W6O21(OH)2?4H2O微晶表現(xiàn)出不同的催化水平和變化過程。此外，將由微波水熱法制備出的 CoWO4納米粉體分別在750-900℃熱處理后造粒、壓制成固定形狀，于1000℃和1200℃條件下分別燒結(jié)成微波介電陶瓷，之后對樣品的頻率品質(zhì)因子Qf以及相對介電常數(shù)εr進(jìn)行測試。結(jié)果表明1000℃條件下分別為 Qf=22133GHz和εr=13.272，而1200℃條件下分別為Q

10、f=21935GHz和εr=12.975。
　　在微波水熱化學(xué)反應(yīng)過程方面，結(jié)合鎢氧八面體結(jié)構(gòu)以及鎢酸鹽縮合脫水性質(zhì)對產(chǎn)物的形成過程進(jìn)行了探討。前驅(qū)液pH值的變化使得反應(yīng)體系中鎢元素以及鈷元素的結(jié)合狀態(tài)呈現(xiàn)出不同的配位構(gòu)造以及空間取向，在微波以及溫壓條件作用下，繼而發(fā)生脫水以及沉淀等化學(xué)反應(yīng)，最終分別形成不同條件下的對應(yīng)產(chǎn)物。
　　本課題對鎢酸鈷晶體材料進(jìn)行了充分制備實驗研究，對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)以及微觀形貌進(jìn)行了分析表征，并且