[發明專利]一種泡沫陶瓷基ZnO納米棒陣列的制備方法及應用

在審

• 申請號: 202010519618.4
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111921517A
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 趙敬忠;楊菲;白楊;呂振林
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: B01J23/06
• 分類號: B01J23/06;B01J35/02;C02F1/30;C02F101/38
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 楊洲

一種泡沫陶瓷基ZnO納米棒陣列的制備方法及應用，包括以下步驟：首先，將ZrO₂泡沫陶瓷襯底清洗干燥后備用，將醋酸鋅和氫氧化鈉分別溶于乙醇溶液中加熱混合后浸蘸于ZrO₂泡沫陶瓷襯底上，400℃～600℃熱處理20min～50min；將ZnO種子層襯底倒放入反應釜內襯中，并加入聚乙烯亞胺、六次甲基四胺和硝酸鋅的水溶液，水熱反應后，自然冷卻，干燥后樣品反復水熱3次，獲得了ZnO納米棒陣列/泡沫陶瓷；制備方法簡單，表面穩定性較高，并克服了粉末狀ZnO催化劑難以回收且易團聚缺點；將ZnO納米棒生長在多孔陶瓷內壁表面，激發ZnO所具有的壓電特性形成壓電內建電場來持續分流光生載流子，提高其光催化性能。

技術領域

本發明屬于光催化材料及污水處理技術領域，具體涉及一種泡沫陶瓷基ZnO納米棒陣列的制備方法及應用。

背景技術

ZnO是一種n型半導體，具有制備方法簡單、價格低廉、無毒無害、光化學穩定性好、氧化還原能力強等一系列優點，在環境治理和能量轉換等領域具有廣闊的應用前景。然而，ZnO光催化劑光生載流子分離效率低導致其光催化效率偏低，同時難以回收，極大地限制了其應用推廣。

為了提高ZnO光催化劑光生載流子分離效率，多個獨立科研小組研究了動態壓電電勢對ZnO光催化性能的增強作用，證明了動態壓電場的引入可以很好的抑制電子-空穴對復合，并促進載流子遷移。然而，動態壓電場的形成需要施加變化的機械力或者高頻超聲波振蕩，這就很大程度上限制了ZnO光催化劑在工業范圍內的應用。為此，設計一種能夠利用液體流動等環境離散能量來產生動態壓電場的壓電光催化劑具有巨大的應用潛力。

由于ZnO同時具有壓電和半導體特性，所以晶體中產生的壓電勢可顯著影響界面/結區的載流子傳輸。通過在泡沫陶瓷基體上生長ZnO納米棒陣列，利用水流在泡沫陶瓷骨架三維不規則弧面結構產生不規則渦流等復雜流動類型，對ZnO納米棒施加不斷變化的外力，從而在ZnO納米棒的內部極化產生動態壓電場。利用動態壓電場對ZnO晶體中的載流子進行分離、聚集、釋放等作用，可以為光生電子-空穴對的分離提供有效的驅動力。

與此同時，以泡沫陶瓷作為基底生長ZnO納米棒陣列可解決ZnO光催化劑難以重復利用的問題。ZrO₂泡沫陶瓷是一種密度小、氣孔率高，化學性質穩定的三維空間網架結構的多孔陶瓷，具有耐高溫、耐酸堿、耐腐蝕，且不會對環境造成二次污染、易回收等優點。同時，泡沫陶瓷的熱膨脹系數很低，與ZnO納米棒陣列結合牢固，使用過程中脫落風險較小，使ZrO₂泡沫陶瓷作為催化劑載體被廣泛應用于工業污水處理。因此，泡沫陶瓷基體上生長ZnO納米棒陣列光催化劑方案具有持久長效的催化活性和可回收性，更具有實際應用潛力。

發明內容

為克服上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種泡沫陶瓷基ZnO納米棒陣列的制備方法及應用，該方法實現了主動捕獲自然界中流體能量產生的渦流來激發ZnO光催化劑內部的動態壓電電場，來促使光生載流子分離，并最終提高了ZnO的光催化性能。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種泡沫陶瓷基ZnO納米棒陣列的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，ZnO籽晶層的制備

步驟1.1，利用線切割機將ZrO₂泡沫陶瓷切割成2cm×1cm×0.2cm的襯底，放入體積比為1:1:1的無水乙醇-異丙醇-丙酮混合溶液中，超聲振蕩20min～50min后取出，接著用去離子水超聲振蕩10min～40min，用無水乙醇沖洗干凈，放入干燥箱中烘干備用；