[發(fā)明專利]一種Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610072627.7
• 申請日: 2016-02-01
• 公開（公告）號: CN105521809B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘新花;周宇嵩;呂斌;葉志鎮(zhèn)
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;C02F1/30
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 韓介梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光催化劑的制備方法，屬于半導(dǎo)體納米光催化材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

能源短缺與環(huán)境污染問題是人類未來將要面臨的最主要挑戰(zhàn)，而光催化分解水及降解污染物被認為是解決這兩個問題的有效方法。相比傳統(tǒng)的TiO₂，同為寬禁帶半導(dǎo)體的ZnO擁有更豐富的來源和更高的量子效率，被認為是有潛力替代TiO₂的材料之一。ZnO是一種原材料豐富，環(huán)境友好的半導(dǎo)體材料，帶隙寬(E_g≈3.3eV)，在紫外光照射下能夠產(chǎn)生具有很強氧化還原能力的空穴和電子。因此，ZnO理論上具有與TiO₂相近的光催化能力。然而，由于光生載流子的迅速復(fù)合導(dǎo)致ZnO光催化性能降低和光腐蝕造成的自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，這兩個問題嚴重制約了ZnO在光催化領(lǐng)域的發(fā)展。

將石墨烯與ZnO進行復(fù)合制備ZnO/rGO復(fù)合光催化劑是一種有效提高ZnO光催化性能和光腐蝕抗性的方法。現(xiàn)有技術(shù)中尚未見對ZnO和rGO同時進行摻雜后再復(fù)合的研究和報道。本發(fā)明通過Cu摻雜制備出p型ZnO，然后與N摻雜的n型rGO復(fù)合形成納米p-n結(jié)型復(fù)合光催化劑，利用rGO優(yōu)良的電子傳遞性能和p-n結(jié)存在的內(nèi)建電場抑制光生載流子的復(fù)合，有效提高光催化性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種制備成本低、工藝簡單的Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑的制備方法。

本發(fā)明的Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑，由Cu摻雜的ZnO納米棒和包覆于上述納米棒外的N摻雜還原氧化石墨烯(rGO)構(gòu)成。制備方法包括以下步驟：

1)將Zn(CH₃COOH)₂·2H₂O、HMTA和Cu(CH₃COO)₂溶于去離子水中，使Zn(CH₃COOH)₂·2H₂O和HMTA的濃度均為30mM，Cu(CH₃COO)₂濃度為0.3mM～0.9mM，獲得混合溶液，將混合溶液置于反應(yīng)釜中在90℃下保溫4h，將得到的沉淀物離心洗凈并干燥，獲得Cu摻雜的ZnO納米棒；

2)將步驟1)的Cu摻雜ZnO納米棒分散在去離子水中，然后加入5wt％的GO溶液，充分攪拌1h后，轉(zhuǎn)移至水熱釜中120℃水熱保溫12h，將得到的沉淀物離心洗凈并干燥，獲得Cu:ZnO/rGO粉末；

3)將步驟2)的Cu:ZnO/rGO粉末置于石英舟中，先通5min NH₃和Ar混合氣，其中NH₃體積含量為10％，然后以20℃/min的速度升溫至200℃，隨即在5min內(nèi)勻速升溫至300℃～500℃后隨爐降溫至室溫，取出樣品得到Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑。

本發(fā)明的Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑提升ZnO光催化性能和光腐蝕抗性的原理是：Cu摻雜使本征n型ZnO變?yōu)閜型，與N摻雜的rGO復(fù)合后比表面積增大，光催化反應(yīng)活性位點增多，反應(yīng)速率增大；其次p型ZnO與n型rGO形成納米級別的p-n結(jié)，由于內(nèi)建電場的存在，光生載流子能夠迅速地從ZnO轉(zhuǎn)移至N:rGO上，抑制了光生載流子的復(fù)合，使光催化性能提高。提高光腐蝕抗性的原因主要有：rGO與ZnO之間C-O的強烈雜化作用能夠有效抑制ZnO表面O原子的活性，增強ZnO的穩(wěn)定性；包覆在ZnO表面的rGO起到類似壁壘的作用，防止ZnO因光腐蝕而結(jié)構(gòu)被破壞；rGO巨大的比表面積能夠吸附染料分子，而染料分子能夠捕獲空穴，與導(dǎo)致ZnO光腐蝕的反應(yīng)形成競爭，降低了ZnO光腐蝕程度。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)本發(fā)明Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑制備方法簡單，可重復(fù)性好，產(chǎn)率較高，制備出的復(fù)合光催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能優(yōu)良。

2)Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑對常見污染物有很高的光催化降解活性，而且比常見的未摻雜ZnO-rGO光催化劑的性能更好，能夠在更短的時間內(nèi)完成對污水的光催化凈化。

3)本發(fā)明的Cu:ZnO/N:rGO復(fù)合光催化劑具有優(yōu)秀的光腐蝕抗性，經(jīng)過多次光催化循環(huán)降解實驗后仍能保持較高的光催化活性。

附圖說明

圖1為Cu:ZnO/N:rGO的XRD衍射圖片。

圖2為Cu:ZnO/N:rGO的SEM圖片。

圖3為Cu:ZnO/N:rGO的TEM圖片。