[發明專利]一種硯狀ZnO/石墨烯復合物光催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201710131496.X
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN108568295B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 章俞之;張云龍;宋力昕;吳嶺南;張濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: B01J23/06
• 分類號: B01J23/06;B82Y30/00;B82Y40/00;C02F1/30;C02F101/30
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種硯狀ZnO/石墨烯復合物光催化劑及其制備方法，所述硯狀ZnO/石墨烯復合物光催化劑包括硯狀ZnO、和覆蓋所述硯狀ZnO的石墨烯，所述硯狀ZnO為六角硯狀薄片結構，包括硯底和硯壁，所述硯底的厚度為10～40 nm，優選為20～40 nm，硯壁的厚度為150～250 nm。與現有技術相比，本發明的制備方法和實驗設備簡單，反應條件溫和，產率高，便于大規模上產。

技術領域

本發明涉及一種光催化劑及其制備方法，特別是一種硯狀ZnO/石墨烯復合物光催化劑及其制備方法。

背景技術

光催化是一種簡單有效的將污水中有毒的有機物分解的一種方法，由于污水處理效果好，催化效率高，對于高效的光催化劑的研究成為當今研究的熱點。ZnO具有合適的禁帶寬度(3.37eV)和較大的激子結合能(60mV)，且對光具有較強的敏感性，廉價無污染，因此是一種十分優良的光催化劑。

由于光激發ZnO使價帶中的電子激發到帶上，形成電子-空穴對，但產生的電子-空穴對容易迅速復合，不利于光催化性能的提高。因此抑制光激發電子-空穴對的復合，提高太陽光響應范圍成為提高ZnO光催化效率的有效手段。有效的方法有：控制ZnO的形貌、與其他半導體材料復合、進行重金屬修飾等(J.W.Chiou et al.,J.Phys.Chem.C.2011,115,650)。另外，科研人員通過將ZnO與石墨烯進行復合(H.Moussa et al.,Appl.Catal.B-Environ 2016,185,11)，使得ZnO與石墨烯復合物的光催化效率大大提高，因此，ZnO與石墨烯復合物光催化劑成為當今研究的熱點。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種具有新型結構的ZnO與石墨烯復合光催化劑以提高ZnO光催化效率。

一方面，本發明提供了一種硯狀ZnO/石墨烯復合物光催化劑，所述硯狀ZnO/石墨烯復合物光催化劑包括硯狀ZnO、和覆蓋所述硯狀ZnO的石墨烯，所述硯狀ZnO為六角硯狀薄片結構，包括硯底和硯壁，所述硯底的厚度為10～40nm，優選為20～40nm，硯壁的厚度為150～250nm。

本發明提供的ZnO/石墨烯復合物光催化劑中，硯狀ZnO具有六角硯狀薄片(空心帶底六棱狀)結構，其硯底的厚度較薄，為10～40nm，可以輕易地穿透電子。而硯壁較厚，為150～250nm，電子不易穿過。且硯狀ZnO表面有大面積的石墨烯覆蓋，呈現平面狀復合，復合效果佳。而石墨烯是一種單層厚度約為1nm的二維材料，且由于表面具有大量可自由移動的形成大π健的自由電子，因此具有很好地電子傳導性能。因此石墨烯與ZnO的復合物在進行光催化分解有機物時，一方面，由于石墨烯具有較大的比表面積，因此可大量吸附有機物，進而能夠迅速與催化劑的活性物質進行反應。另一方面，ZnO上產生的光生電子可以進一步轉移到石墨烯上，從而降低光生電子-空穴對的復合幾率。此外，石墨烯與ZnO復合還可以降低ZnO的帶隙，使得催化劑的光響應范圍擴寬，提高太陽光的利用率，可以有效提高光催化性能。此外，由于硯狀ZnO(六方ZnO)的±(0001)表面間有內建電場存在，可以促進光生電子-空穴對分離，且[0001]方向厚度很薄(10～40nm)，內電場作用十分明顯。本發明通過同時利用的內建電場和石墨烯的復合作用，能過有效地降低電子-空穴對的復合幾率，具有較強的光催化性能。

較佳地，所述硯狀ZnO的硯底為六方晶形，硯底的上下兩表面為六方ZnO的±(0001)面。由于六方ZnO的±(0001)表面間由內建電場存在，可以促進光生電子-空穴對分離，且[0001]方向厚度越薄，內電場作用越明顯。

較佳地，所述硯狀ZnO的硯底的寬度為500nm～2μm。

較佳地，所述石墨烯的厚度小于10nm。

較佳地，所述硯壁的寬度為300～400nm，優選為310～360nm。

另一方面，本發明提供了一種上述硯狀ZnO/石墨烯復合物光催化劑的制備方法，包括：