雙面氧化鋅納米陣列光催化材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光催化材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙面ZnO納米陣列的光催化材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，污水、廢氣及反應(yīng)副產(chǎn)物等高毒性污染物大量產(chǎn)生，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。半導(dǎo)體催化劑可充分利用“廉價(jià)、綠色”的太陽光，有效催化降解各種有毒污染物，是解決全球性環(huán)境惡化的一個(gè)重要途徑。
[0003]氧化鋅(ZnO)是一種具有寬直接帶隙(3.37eV)和高激子束縛能(60meV)的半導(dǎo)體材料，具有高的電子傳輸速率和較長的電子壽命，納米級ZnO其結(jié)構(gòu)比較豐富且易于可控生長，使其在光催化降解有機(jī)污染物方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]但是目前被廣泛使用的懸浮相半導(dǎo)體光催化氧化法，存在著光催化劑易凝聚、與水難分離等缺點(diǎn)，使得催化劑難以回收和重復(fù)利用。催化劑固定化能夠有效地克服上述不足。在已有的研宄報(bào)道中，只是將光催化材料固定在載體的一面，載體另一面則被長期忽略，沒有得到有效利用。石英玻璃具有高的耐溫性，極好的化學(xué)穩(wěn)定性，特別是石英玻璃的光學(xué)性能有其獨(dú)到之處，它既是所有透紫外光材料的最優(yōu)者，又可透過可見光和近紅外光。而且石英資源在我國儲量非常豐富，價(jià)格低廉，易于工業(yè)化。因而石英玻璃可以作為納米ZnO理想的負(fù)載襯底。為提高對光的利用率，提高光催化性能，在石英襯底上制備雙面ZnO納米陣列具有很高的應(yīng)用價(jià)值。但是，在石英襯底上制備雙面ZnO納米陣列光催化劑的研宄及方法，尚未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種可應(yīng)用于光催化領(lǐng)域的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料及制備方法，利用石英襯底優(yōu)異的透光性，在石英襯底上制備雙面ZnO納米陣列，能提高對光的吸收利用，提高光催化性能，開展了光催化性能的研宄，表明在光催化降解有機(jī)物方面具有很好的應(yīng)用前景。
[0006]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種雙面ZnO納米陣列光催化材料，由ZnO納米陣列和石英襯底構(gòu)成，所述石英襯底是具有高透光性的石英玻璃，ZnO納米陣列豎直生長在整個(gè)石英襯底的兩個(gè)表面。
[0007]本發(fā)明利用水熱合成法合成ZnO納米柱、棒、線，并制備ZnO納米陣列-石英襯底-ZnO納米陣列，具體技術(shù)方案如下:
一、制備晶種層:在清洗干凈的石英襯底的兩個(gè)表面分別制備一層ZnO薄膜作為晶種層O
[0008]本步驟中，所述石英襯底的清潔處理方法為:將石英襯底分別在丙酮和無水乙醇中各超聲清洗10~20分鐘，再用去離子水超聲清洗10~20分鐘，將石英襯底反轉(zhuǎn)后，重復(fù)上述清洗過程，再將石英襯底豎直放置在溶液中，按上述清洗方法清洗1~2次，最后將其吹干。
[0009]本步驟中，使用磁控濺射方法制備ZnO薄膜。
[0010]本步驟中，所述ZnO薄膜的厚度為10~100nm。
[0011]二、利用水熱法制備雙面ZnO納米陣列:將配制好的含有等摩爾濃度乙酸鋅和六次甲基四胺的混合水溶液倒入反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，將上述制備的兩面都有ZnO晶種層的石英襯底豎直放入反應(yīng)釜的溶液中，密封反應(yīng)釜并放入恒溫加熱干燥箱中，在70-100 V下保溫2?24小時(shí)；降至室溫，將兩個(gè)表面都長有ZnO納米陣列的石英玻璃取出，用去離子水沖洗，在空氣中自然干燥，制得ZnO納米陣列-石英襯底-ZnO納米陣列結(jié)構(gòu)的光催化材料。
[0012]本步驟中，所述ZnO納米陣列為ZnO納米柱、ZnO納米棒或ZnO納米線陣列結(jié)構(gòu)。
[0013]本步驟中，所述混合水溶液在聚四氟乙烯內(nèi)襯中的填充度為60~80vol.%。
[0014]本步驟中，所述混合水溶液的濃度為0.01-0.2mol/Lo
[0015]本發(fā)明利用水熱法在石英襯底上合成了雙面ZnO納米棒(柱、線)陣列，制備了 ZnO納米陣列-石英襯底-ZnO納米陣列結(jié)構(gòu)光催化劑，能夠有效提高太陽光的利用率，顯著提高光催化性能。其制備方法具有操作簡單、可控性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于大面積生長，并且催化劑便于回收，可重復(fù)使用，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。ZnO納米陣列-石英襯底-ZnO納米陣列結(jié)構(gòu)光催化材料能有效利用襯底，充分吸收太陽光，顯著提高光催化性能。ZnO納米陣列負(fù)載在化學(xué)性能穩(wěn)定的石英玻璃上，便于回收和重復(fù)使用，而且ZnO和石英在我國儲量豐富，對于大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用具有很好的開發(fā)前景。
【附圖說明】
[0016]圖1是石英襯底的透射光譜圖；
圖2是水熱法制備的雙面ZnO納米棒陣列的XRD圖譜；
圖3是水熱法制備的雙面ZnO納米棒陣列的SEM俯視圖；
圖4是水熱法制備的雙面ZnO納米棒陣列的SEM截面圖；
圖5是雙面ZnO納米陣列催化材料在紫外光照射下對甲基橙溶液降解的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0018]實(shí)施例1:石英襯底上雙面ZnO納米棒陣列的制備。
[0019]—、襯底清洗:石英襯底選用面積大小為I X lcm2、厚度Imm的石英玻璃，分別在丙酮和無水乙醇中各超聲清洗10分鐘，再用去離子水超聲清洗10分鐘，將石英襯底反轉(zhuǎn)后，重復(fù)上述清洗過程，然后將石英襯底豎直放置，在用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲10分鐘，使襯底兩個(gè)表面完全干凈，最后將其吹干。
[0020]二、雙面晶種層制備:采用射頻磁控濺射技術(shù)，將清洗干凈的石英襯底固定在射頻磁控濺射沉積設(shè)備的樣品臺上，用機(jī)械泵和分子泵對真空室抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到2X10—3Pa時(shí)，通入高純氬氣和氧氣的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使氧氣、氬氣的流量比為3:7，調(diào)節(jié)真空室壓強(qiáng)為IPa，射頻濺射功率為100W。濺射1nm厚的ZnO晶種層，取出石英襯底，將石英襯底反轉(zhuǎn)，將其重新固定在樣品臺上，按照剛才的所述方法再進(jìn)行一次濺射實(shí)驗(yàn)，在石英襯底的另一面制備同樣厚度的ZnO晶種層。
[0021]三、雙面ZnO納米棒陣列制備:分別配制15mL濃度為0.05mol/L的乙酸鋅和六次甲基四胺溶液，將二者混合攪拌10分鐘后倒入I個(gè)50mL反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中。將在上述制備有雙面ZnO晶種層的石英襯底用樣品夾夾住豎直放入其中，擰緊后將其放入干燥箱中，然后升溫到95°C，恒溫保持24小時(shí)，之后將干燥箱電源關(guān)掉，自然冷卻至室溫，然后將樣品取出，并用去離子水沖洗表面，然后在空氣中自然干燥，得到雙面ZnO納米棒陣列，并可作為光催化材料。
[0022]本實(shí)施例所用石英襯底的透射光譜見圖1，所選用的襯底有良好的透光性，制備樣品的XRD譜圖見圖2，SEM形貌圖如圖3所示，ZnO納米棒均勻生長在石英襯底表面，納米棒的平均直徑約為200 nm，從截面圖4中可以看到，石英襯底的兩面都生長有ZnO納米陣列，納米棒的長度基本一致。
[0023]實(shí)施例2:雙面ZnO納米棒陣列光催化性能測試。
[0024]將實(shí)例I中得到的雙面ZnO納米棒陣列進(jìn)行光催化降解甲基橙溶液的研宄，照射光源為太陽光模擬器(500W氙燈)。具體過程是:將面積是Icm2的樣品豎直放入甲基橙溶液中，用模擬光源照射溶液和樣品表面，時(shí)間為150分鐘，每隔一定時(shí)間，取出部分甲基橙溶液，通過紫外分光光度計(jì)測試其吸光度。為了比較雙面結(jié)構(gòu)光催化材料的光催化效果，對同樣條件下在石英襯底上獲得的單面ZnO納米棒陣列也進(jìn)行光催化測試。結(jié)果如圖5所示，與單面ZnO納米陣列相比，同等條件下的雙面ZnO納米陣列表現(xiàn)出更優(yōu)異的光催化性能。
[0025]實(shí)施例3:雙面ZnO納米線陣列的制備。
[0026]將實(shí)施例1中的乙酸鋅和六次甲基四胺溶液的濃度改變?yōu)?.0lmol/L，其他具體步驟同實(shí)施例1。獲得平均直徑為20nm的雙面ZnO納米線陣列。
[0027]實(shí)施例4:雙面ZnO納米柱陣列的制備。
[0028]將實(shí)施例1中的乙酸鋅和六次甲基四胺溶液的濃度設(shè)定為0.2mol/L，生長時(shí)間為4小時(shí)，其他具體步驟同實(shí)施例1。獲得平均直徑約為650nm的雙面ZnO納米柱陣列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙面氧化鋅納米陣列光催化材料，其特征在于所述光催化材料由ZnO納米陣列和石英襯底構(gòu)成，ZnO納米陣列生長在整個(gè)石英襯底的兩個(gè)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料，其特征在于所述ZnO納米陣列為ZnO納米柱、ZnO納米棒或ZnO納米線陣列結(jié)構(gòu)。
3.—種雙面氧化鋅納米陣列光催化材料的制備方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、在清洗干凈的石英襯底的兩個(gè)表面分別制備一層ZnO薄膜作為晶種層； 二、將配制好的含有等摩爾濃度乙酸鋅和六次甲基四胺的混合水溶液倒入反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，將兩面都有ZnO晶種層的石英襯底豎直放入反應(yīng)釜的溶液中，密封反應(yīng)釜并放入恒溫加熱干燥箱中，在70~100°C下保溫2?24小時(shí)；降至室溫，將兩面都長有ZnO納米陣列的石英玻璃取出，用去離子水沖洗，在空氣中自然干燥，制得ZnO納米陣列-石英襯底-ZnO納米陣列結(jié)構(gòu)的光催化材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料的制備方法，其特征在于所述石英襯底的清潔處理方法為:將石英襯底分別在丙酮和無水乙醇中各超聲清洗10~20分鐘，再用去離子水超聲清洗10~20分鐘，將石英襯底反轉(zhuǎn)后，重復(fù)上述清洗過程，再將石英襯底豎直放置在溶液中，按上述清洗方法清洗1~2次，最后將其吹干。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料的制備方法，其特征在于使用磁控濺射方法制備雙面ZnO薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料的制備方法，其特征在于所述ZnO薄膜的厚度為10~100nmo
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料的制備方法，其特征在于所述混合水溶液在聚四氟乙烯內(nèi)襯中的填充度為60~80vol.%。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或7所述的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料的制備方法，其特征在于所述混合水溶液的濃度為0.01-0.2mol/Lo
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙面氧化鋅納米陣列光催化材料的制備方法，其特征在于所述ZnO納米陣列為ZnO納米柱、ZnO納米棒或ZnO納米線陣列結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙面氧化鋅納米陣列光催化材料及制備方法。所述光催化材料由ZnO納米陣列和石英襯底構(gòu)成，ZnO納米陣列生長在整個(gè)石英襯底的兩個(gè)表面。制備方法如下：在清洗干凈的石英襯底的兩個(gè)表面分別制備一層ZnO薄膜作為晶種層；利用水熱法在石英襯底的兩個(gè)表面上同時(shí)生長ZnO納米陣列。本發(fā)明利用水熱法在石英襯底上制備了雙面ZnO納米陣列，能夠有效提高太陽光的利用率，顯著提高光催化性能。其制備方法具有操作簡單、可控性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于大面積生長，并且催化劑便于回收，可重復(fù)使用，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
【IPC分類】B01J23-06
【公開號】CN104549209
【申請?zhí)枴緾N201410826277
【發(fā)明人】高世勇, 矯淑杰, 慕巖, 劉青春, 王金忠, 于清江
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日