[發明專利]碳包覆金屬摻雜氧化鋅復合光催化納米材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201410370567.8
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104275173A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 喬儒;殷巧巧;朱蘭蘭;吳文杰;李苗苗;童國秀
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: B01J23/06
• 分類號: B01J23/06;B01J23/80;B01J35/02;C02F1/30
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

技術領域

本發明涉及光催化納米材料、環境保護領域，特別是一種利用低溫溶劑熱法制備具有可見光催化活性的碳包覆金屬摻雜氧化鋅核殼結構納米棒狀復合光催化材料的簡易方法。

背景技術

氧化鋅(ZnO)作為半導體光催化劑，因其禁帶寬度達到3.2eV，吸收波長閥值大都在小于387nm的紫外光區，太陽光利用效率低。同時，載流子復合率高、量子效率低等缺點也限制了它的實際使用，使其催化效率還沒有達到工業應用水平。

通過合成四針狀晶須、納米棒自組裝等形貌調控、納米ZnO修飾多壁碳納米管(MCNTs)、ZnO/TiO₂復合以增強ZnO光學活性的研究都見諸于報道。利用低溫溶劑熱法制備金屬離子(如Co、Ni、Mn、Fe)摻雜ZnO繼而在其表面沉積碳層來改變氧化鋅內部電子空穴遷移路徑，提高光生電子-空穴分離效率，增強其對可見光吸收能力和對染料分子吸附能力，提高產品催化活性的相關報道不多，而且關于形貌結構、粒度分布、摻雜比例以及碳層厚度對氧化鋅光催化活性的影響及相關作用機理的研究并不系統。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有可見光催化活性的新穎的碳包覆金屬摻雜氧化鋅納米光催化材料及其制備方法，以克服氧化鋅自身存在的使用缺陷。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明提供的光催化納米材料是一種碳包覆金屬摻雜氧化鋅復合光催化納米材料，具有可見光催化活性和具有納米棒狀核殼結構的形貌，碳層包覆厚度為7–12.5nm。

所述碳包覆金屬摻雜氧化鋅復合光催化納米材料，其納米棒長度為200-500nm，寬度為30-70nm。

本發明提供的上述碳包覆金屬摻雜氧化鋅復合光催化納米材料，其制備方法包括以下的步驟：

(1)前驅體溶液的制備：

將鋅鹽、摻雜金屬鹽溶解于20mL醇溶劑中，其中金屬離子總摩爾量為5mmol，金屬離子摻雜濃度為1-5mol％，隨后加入10-50mmol的氫氧化鈉，攪拌得到前驅體溶液；；

(2)將前驅體溶液置于高壓反應釜中，密封，120–160℃反應2–12h；

(3)反應后冷卻至室溫，產物用無水乙醇反復洗滌，60℃干燥2–6h，得到金屬離子摻雜氧化鋅Zn_1-xM_xO棒狀光催化納米材料，x＝0.01-0.05。該金屬離子摻雜氧化鋅Zn_1-xM_xO棒狀光催化納米材料的納米棒長200-500nm，寬20-60nm。

(4)將上述Zn_1-xM_xO納米棒超聲分散于水中，在攪拌條件下加入葡萄糖的乙醇溶液，溶液總體積保持32mL，其中Zn_1-xM_xO與葡萄糖的質量比為1:2–3:2，水與乙醇的體積比為3:1-1:1。置于高壓反應釜中180℃下反應6-15h；

(5)將固體產物離心分離，并用乙醇洗滌，空氣中干燥得到一種具有可見光催化活性的碳包覆Zn_1-xM_xO棒狀核殼結構納米材料。所述的鋅鹽為硝酸鋅或乙酸鋅。

所述的摻雜金屬鹽為乙酸鎳或乙酸鈷。

所述用于溶解鋅鹽、摻雜金屬鹽的醇溶劑為甲醇或乙醇。

本發明制備的材料，其在可見光催化降解羅丹明B或甲基橙等有機染料水溶液中的應用。

本發明與現有技術相比具有以下的主要的優點：

本發明首先利用溶劑熱法工藝，通過改變溶劑體系比例關系、反應物離子濃度、反應溫度和反應時間，制得具有棒狀結構的金屬摻雜氧化鋅納米材料，應用于可見光催化降解染料廢水，獨特的組分、結構特點可提高單一組分ZnO可見光催化活性，在光催化降解羅丹明B的實驗中，經過可見光的光線照射100min，棒狀結構Zn_1-xM_xO催化劑存在下，羅丹明B降解率可達到97.0％。