[發明專利]一種氧化鋅/鍺酸鋅-銅納米復合材料光催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010074548.6
• 申請日: 2020-01-22
• 公開（公告）號: CN111229239B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 耿延玲;侯振非;王文思
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: B01J23/835
• 分類號: B01J23/835;C01B3/04
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 袁曉玲

本發明涉及一種納米復合材料光催化劑的制備方法及其在催化分解水產氫方面的應用。該催化劑以一定濃度的氫氧化鈉做溶劑，采用一步水熱法通過調控乙酸鋅和氧化鍺的摩爾比得到不同比例的光催化劑，選取催化活性最好比例的光催化復合材料通過濕化學方法浸漬不同濃度的銅離子，最終得到ZnO/Zn₂GeO₄?Cu納米復合材料光催化劑。該方法簡單、可控、反應條件溫和，且獲得的催化劑形貌好、成本低、光響應范圍廣。將所述催化劑進行光催化分解水產氫研究具有高效的催化活性，在光催化領域具有較高的應用前景。

技術領域

本發明屬于納米復合材料制備技術及光催化領域，具體涉及一種氧化鋅/鍺酸鋅-銅光催化產氫功能的光催化劑；還涉及所述催化劑的制備及在光催化制氫方面的應用。

背景技術

環境污染與能源短缺是當前制約人類社會發展的主要問題，開發新能源代替化石燃料的燃燒迫在眉睫。而氫氣是最一種燃燒熱值高、清潔環保的可再生能源，利用光催化技術分解制水氫已經受到了廣泛的研究。而這項技術的關鍵就是開發研究新型、高效且價格低廉的光催化劑。

Zn₂GeO₄是一種重要的n型金屬氧化物半導體光催化劑，晶體由GeO₄四面體和ZnO₄四面體組成，由于結構中存在嚴重扭曲的GeO₄四面體，即Ge原子的中心偏離四周O原子的中心，此GeO₄四面體偶極矩產生的電場有利于光生電子和空穴的分離，提高了其光催化性能。然而，較寬的帶隙導致了Zn₂GeO₄只能吸收紫外光，光電子利用率低，為解決這一問題，通常利用離子摻雜，復合金屬修飾等方法調控帶隙值，拓寬光響應范圍，降低電子和空穴的復合率，從而提高產氫活性。而ZnO具有氧化還原位高、激子結合能大，化學穩定性好等特點，是極具潛力的光催化材料，也是研究和應用較廣的光催化材料之一。

為了制備兼具成本低，光吸收范圍廣且穩定高效的光催化劑，本發明首先以乙酸鋅為鋅鹽，將不同比例的鋅鹽和氧化鍺溶于配制好的氫氧化鈉溶液，混勻溶解后轉入反應釜中，通過一步水熱法制得氧化鋅/鍺酸鋅復合光催化劑，最后通過以乙酸銅為銅源，采用濕化學方法得到氧化鋅/鍺酸鋅-銅鋅基金屬氧化物納米光催化劑。目前采用此方法制備氧化鋅/鍺酸鋅-銅鋅基金屬氧化物納米光催化劑、以及該催化劑用于光催化分解水析氫的研究還未見報道。

本發明首先采用水熱法，通過控制鋅和鍺的比例，在溶劑熱條件下溫和反應，從而得到氧化鋅/鍺酸鋅催化劑，最后通過濕化學方法，引入銅原子從而得到氧化鋅/鍺酸鋅-銅鋅基金屬氧化物光催化劑。該方法制備的所述光催化劑不僅拓寬了光吸收范圍，而且有效抑制了光生電子和空穴的復合，在光催化過程中表現出顯著提高的光催化分解水產氫活性。對解決能源危機的問題具有很重要的理論指導和實際意義。

發明內容

針對現有技術光催化分解水析氫性能不理想及本領域應用需要，本發明提供一種鋅基金屬氧化物納米光催化劑的制備方法及其在光催化分解水制氫方面的應用。即該催化劑以一定濃度的氫氧化鈉做溶劑，采用一步水熱法通過調控乙酸鋅和氧化鍺的摩爾比得到不同比例的光催化復合材料，選取催化活性最好比例的光催化復合材料通過濕化學方法浸漬不同濃度的銅離子，最終得到所述ZnO/Zn₂GeO₄-Cu納米復合材料光催化劑。

具體來說，本發明步驟如下：

1.氧化鋅/鍺酸鋅納米復合材料光催化劑的制備

(1) 稱取1~6 mmol 乙酸鋅分散到20 mL 0.5 M 氫氧化鈉溶液中，磁力攪拌至充分溶解，得到無色透明溶液；

(2) 稱取1~6 mmol 氧化鍺分散溶液到(1)中，磁力攪拌至完全溶解后繼續磁力攪拌1~60 min得乳白色溶液；