[發明專利]一種Co摻雜的ZnO光催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 201710994609.9
• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107570161A
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 趙世芬
• 申請（專利權）人: 煙臺智本知識產權運營管理有限公司
• 主分類號: B01J23/80
• 分類號: B01J23/80;B01J37/03;B01J37/08;C02F1/30;C02F101/34;C02F101/36;C02F101/38
• 代理公司: 煙臺上禾知識產權代理事務所(普通合伙)37234
• 代理人: 張亞平

技術領域

本發明涉及一種ZnO光催化劑的制備方法，尤其涉及一種Co摻雜的ZnO光催化劑的制備方法，屬于光催化技術領域。

背景技術

社會經濟的高速發展帶來了嚴重的環境惡化的問題，特別是工業廢水的大量增加使水體污染問題十分嚴重。目前，各國政府已經充分意識到水污染問題的嚴重性，因此對該領域的研究與技術開發備受關注。太陽能源作為綠色能源的代表，具有廣泛性、充足性、長久性、清潔性以及安全性等其它常規能源所難以具備的特點。將太陽能轉化為可用于催化的化學能成為近半個世紀以來人們所關注的研究熱點。Fujishima研究組于1979年首次報道了利用無機半導體材料的光催化過程的研究結果，近年來隨著研究的深入，人們發現光催化及其相關技術在環境污染治理技術、太陽能轉換等諸多方面都顯示出誘人的應用前景，且光催化氧化技術是一種全新的“綠色技術”，以其能耗低、操作簡單、反應條件溫和、氧化性強、成本低、無二次污染等特點，在環境治理方面日益受到人們的普遍重視，并成為各國產業界和學術界研究的熱點。

ZnO是寬禁帶直接帶隙半導體材料，室溫下帶隙約為3.37eV，ZnO具有無毒害，環境友好，生物相容，易于制備等優點。在光的照射下，ZnO激發后產生的電子-空穴對具有氧化、還原的能力，對有機物分子結構具有很強的破壞作用，使長鏈分子變成短鏈分子(一些有機物甚至最終能被分解成二氧化碳和水)。

與常用的TiO₂光催化劑相似，ZnO的帶隙3.37eV導致其只能吸收紫外波段(波長短于370nm)的光，而太陽光中紫外波段的光只占總能量的4％左右，可見光波段(400～760nm)光占了總能量的45～50％。如何能有效的利用太陽光，實現對有機污染物的降解是當前研究的熱點。

研究發現，通過Fe³⁺、Cu²⁺、Ni²⁺和Mn²⁺等過渡金屬離子對ZnO光催化劑的摻雜改性，可以改變ZnO的帶隙能、產生雜質能級和晶格缺陷，提高光量子效率和氧化還原能力，從而提高光催化活性。此外，過渡金屬離子與ZnO晶體中Zn²⁺的原子半徑相差不大，易于摻雜進入ZnO晶格中，因此采用過渡金屬離子摻雜改性是提高ZnO光催化性能的常用手段。

但目前已有公開報道的ZnO的摻雜方法生產出來的產品其摻雜元素的分布并不均勻，在ZnO晶格中與氧原子的鍵合并不牢固，因此摻雜對ZnO的帶隙能、產生雜質能級和晶格缺陷的影響非常有限，因而催化劑的光量子效率和氧化還原能力受限，光催化活性的提高幅度有限。

發明內容

本發明針對現有ZnO摻雜方法存在的不足，提供一種Co摻雜的ZnO光催化劑的制備方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：

一種Co摻雜的ZnO光催化劑的制備方法，包括如下步驟：

1)將粒徑為10～50nm的納米氧化鋅粉末加入到配制好的0.1～0.5mol/L的三價鈷配合物的混合溶液中，控制所述納米氧化鋅粉末與三價鈷配合物的質量之比為(2～5)：1，超聲條件下攪拌混合均勻；

2)后邊攪拌邊向步驟1)所得混合物中滴加濃度為1～5wt％的無機堿溶液，控制體系pH為9～10，滴加完畢后將體系置于50～60℃的水浴振蕩器中晶化反應12～24h,即在納米氧化鋅的表面原位生長出類水滑石結構；

3)將步驟2)所得產物離心分離，水洗至pH＝7～8,后置于烘箱中干燥，得催化劑前體；

4)將步驟3)所得的催化劑前體置于500～650℃環境下焙燒6～8小時，得Fe和Co摻雜的ZnO光催化劑。

進一步，步驟1)中所述三價鈷配合物的結構式為：[Co(NH₃)₆]X₃，其中所述X為氯離子、溴離子、碘離子、硝酸根中的任意一種。

進一步，步驟2)中所述的堿溶液為氨水溶液、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液中的任意一種。

進一步，步驟3)中干燥的溫度為80～120℃。

本發明方法的過程原理介紹如下：