一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑及其制備方法和應(yīng)用
【專利說明】一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑及其制備方法和應(yīng)用
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于化工領(lǐng)域，涉及一種催化劑，具體來說是一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染尤其是水污染問題的加劇，環(huán)境光催化成為科學(xué)家解決污染問題的一個重要研究方向。目前與光催化降解有機(jī)物的相關(guān)研究國內(nèi)外報道不勝枚舉，由于光催化技術(shù)的反應(yīng)體系在光照條件下能將光波能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，因此許多在正常條件下難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)，在室溫條件下也可以順利發(fā)生并且持續(xù)進(jìn)行。而且在半導(dǎo)體光催化劑存在的情況下，多種有機(jī)污染物可以直接被太陽光分解為無機(jī)物、h20和C02，而且光催化劑本身并沒有污染，光催化技術(shù)達(dá)到了使環(huán)境有害的物質(zhì)分解的目的，而又不會帶來其他的污染。納米材料具有合適的禁帶寬度，高的長徑比，高的比表面積等優(yōu)點(diǎn)，有利于光催化活性的提高，被廣泛應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，然而自身又存在一些弊端，例如氧化鋅作為光催化劑被普遍應(yīng)用，但有著耐光腐蝕性差，對環(huán)境pH值要求苛刻等缺點(diǎn)。常用手段主要通過摻雜以及表面修飾以調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)、改良其性能來解決上述問題。近來的研究表明，GaN基一維納米材料由于具有高的比表面積，已廣泛應(yīng)用于激光器，發(fā)光二極管，場效應(yīng)晶體管，光探測器等。目前，GaN材料的光電性能已經(jīng)受到了廣泛的研究，但其光催化性能的報道則很少，其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)對光催化劑本身來說有著重要意義。而更小尺度的碳量子點(diǎn)因其優(yōu)秀的生物兼容性、良好的光誘導(dǎo)電子傳遞能力等方面的獨(dú)特性質(zhì)，相對金屬量子點(diǎn)而言，碳量子點(diǎn)無毒害作用，對環(huán)境的危害很小，制備成本低廉，因此，介于GaN材料穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)和CQDs廉價及良好的生物兼容性等特點(diǎn)，通過制備復(fù)合光催化劑將具有很高的新穎性和吸引力。
[0004]就制備方法而言化學(xué)氣相沉積法是制備納米結(jié)構(gòu)材料最常用的方法之一，這種方法與其他方法相比具有結(jié)晶度和取性好等特點(diǎn)，并且操作簡便。同時，碳量子點(diǎn)制備過程非常簡單，廉價，更利于實(shí)現(xiàn)量化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑及其制備方法和應(yīng)用，所述的這種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑及其制備方法和應(yīng)用解決了現(xiàn)有技術(shù)中的光催化劑耐光腐蝕性差，對環(huán)境pH值要求苛刻的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明提供了一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑，由GaN和碳量子點(diǎn)CQDS組成，在所述的催化劑中，GaN的質(zhì)量百分比為99.99%-90%，所述的碳量子點(diǎn)CQDS的質(zhì)量百分比為
0.01%-10% ;所述的GaN為納米線結(jié)構(gòu)，所述納米線的直徑為60_120nm。
[0007]優(yōu)選的，在所述的催化劑中，GaN的質(zhì)量百分比為99.9%，所述的碳量子點(diǎn)的質(zhì)量百分比為0.1%;
本發(fā)明還提供了上述的一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑的制備方法，包括以下步驟:
1)稱取純度99.999%以上的GaN及純度99.999%以上的Ga203，GaN和Ga203的質(zhì)量比為1.5-2.5:1，混合后研磨，制得粒徑為700-900nm，長度為1.5-2.5um的混合鎵源；
2)稱取步驟1)獲得的混合鎵源，加入一個反應(yīng)容器中，以硅片或A1203為襯底，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積制備GaN納米線，上述化學(xué)氣相沉積法過程的控制參數(shù)為:生長溫度1000-1100°C，生長時間25-35min，升溫速度25_35°C /min，氬氣流量10_20sccm，氨氣流量10_30sccm ；
3)一個制備碳量子點(diǎn)CQDS的步驟，稱取木炭放置于另外一個反應(yīng)容器中，加入硝酸溶液，放置于超聲波儀器中超聲，取上清液加入堿溶液調(diào)整PH值至中性，然后將上清液離心，得到褐色上清液，將褐色上清液干燥，得到碳量子點(diǎn)CQDS ;
4)將CQDS和GaN納米線按照質(zhì)量百分比混合、攪拌，攪拌后放置于超聲波儀器中，控制頻率為150-250W進(jìn)行超聲20-40min，然后將混合物放置于真空干燥箱中控制溫度80-105°C干燥10-30h，得GaN_CQDS復(fù)合光催化劑。
[0008]進(jìn)一步的，所述的堿溶液為NaOH溶液，其質(zhì)量百分比濃度為10_30%。
[0009]進(jìn)一步的，所述的硝酸溶液的濃度為4_6mol/L。
[0010]進(jìn)一步的，步驟3)中，所述的木炭和硝酸的質(zhì)量摩爾比為2g:2~3mol。
[0011]本發(fā)明還提供了上述的一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑在光催化降解有機(jī)物羅丹明B中的用途。
[0012]具體的，使用時，按照GaN/CQDS復(fù)合光催化劑與羅丹明B的質(zhì)量比為1:100的比例計算。
[0013]本發(fā)明是將GaN和碳量子點(diǎn)依次經(jīng)混合、攪拌、超聲、干燥，即得光催化劑，該光催化劑比同類型的單一 GaN光催化劑對分解物具有更高的催化效率(對比單一 GaN光催化劑其效率提高了 1.22倍)和更快的催化速度(對比單一 GaN光催化劑其催化速度加快了 0.8倍)。對羅丹明B具有更高的催化效率和更快的催化速度。
[0014]本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明的光催化劑，由于具有巨大的比表面積，投加量少而催化效果高，具有巨大的環(huán)保意義與價值。本發(fā)明的光催化劑的制備工藝簡單、原料易得。
【附圖說明】
[0015]圖1是GaN-CQDS復(fù)合光催化劑降解羅丹明B溶液的吸收曲線。
[0016]圖2是GaN-CQDS復(fù)合光催化劑的降解羅丹明B溶液的降解曲線。
[0017]圖3是GaN-CQDS復(fù)合光催化劑的降解羅丹明B溶液的的反應(yīng)動力學(xué)計算曲線和GaN-CQDS復(fù)合光催化劑的降解羅丹明B溶液的條狀圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面通過實(shí)施案例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步闡述，但并不限制本發(fā)明。
[0019]實(shí)施例1
一種GaN/CQDS復(fù)合光催化劑的制備方法，包括如下步驟: 1)以純度99.999%的GaN及純度99.999%的Ga203按質(zhì)量比Ga 203:GaN為2:1混合后研磨，制得粒徑為700-900nm，長度為1.5-2.5um的混合鎵源。
[0020]2)稱取步驟1)中材料0.12g，倒入瓷舟中，以鍍貴金屬的硅片或A1203為襯底，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積制備GaN納米線；上述化學(xué)氣相沉積法過程的控制參數(shù)如下:生長溫度為1000-1100°C，生長時間30min，升溫速度30°C /min，氬氣流量10-20sccm、氨氣流量10_30sccmo
[0021]3)CQDS的制備:取一定量的木炭放置于燒杯中，加入一定量的硝酸溶液，所述的木炭質(zhì)量為0.2g，5mol/L的硝酸溶液50ml，放置于超聲波儀器中超聲，取上清液加入NaOH堿溶液調(diào)整PH值至中性，將反應(yīng)后溶液放置離心機(jī)中離心，得到褐色上清液，將褐色上清液放置于真空干燥箱中干燥，得到CQDS。
[0022]4)將步驟1)中GaN納米線和CQDS按