[发明专利]一种高分散性ZnO/GaN固溶体的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种固溶体，特别涉及一种高分散性ZnO/GaN固溶体的制备方法及其在光催化中的应用。

背景技术

固溶体是成分可以在一定范围内连续变化合金相，这种变化不改变溶剂金属的点阵类型。按照溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，可分为间隙固溶体和代位固溶体。溶质元素含量可调，进而可以调节固溶体的性能，使得固溶体在离子交换、吸附、催化、光、电、磁等多个领域展现出广阔的应用前景。制备固溶体的方法有多种，包括离子注入法、烧结法、离子交换法、掺杂等，其中利用层状双氢氧化物(LDHs)材料为前驱体经过热处理后获得的固溶体具有结构高度有序、具有多孔性、高比表面积、元素均匀分布等多种优点。

近年来能源危机日益突出加之化石燃料造成的环境问题越发严重，寻找清洁的新能源是新世纪的重大课题。利用半导体光催化水制H₂是获取清洁能源的有效途径之一，但大多数半导体因禁带宽度过宽或者导带位置不适合而不适合用于光催化水制H₂。日本专利JP2005144210-A报道制备了一种ZnO/GaN固溶体，可以调节禁带宽度，将吸收波长调至420nm左右，从而可以吸收可见光用于催化。中国专利CN102166527A和Wang Junpeng等(Junpeng Wang et al. J. Mater. Chem., 2011(21): 4562)报道了以(Zn²⁺/Ga³⁺)层状双氢氧化物(LDHs)为前驱体制备了ZnO/GaN固溶体，可将GaN的含量降低到50%~20%，能节省昂贵的GaN的用量，从而降低成本。

上述两种方法均采用纳米晶制备粉末方法，制备过程中纳米晶团聚现象明显，使得粉末粒径较大，导致大部分ZnO/GaN固溶体纳米晶不能接触可见光，同时也使大部分的电子、空穴这些有效的催化中心在粉末中迁移距离过长造成其在内部复合消耗而不能用于催化水，使得ZnO/GaN固溶体催化效率较低。并且由于上述两种方法制得的催化剂为粉末状，在水催化过程中粉末难以回收，造成了催化剂的浪费。

发明内容

针对现有技术中ZnO/GaN固溶体催化效率较低，在催化过程中难以回收的不足，本发明提供一种制备高分散性ZnO/GaN固溶体的制备方法，并可将固溶体制备成多种形态的方案以解决上述技术中的不足。

为此，本发明提供一种高分散性ZnO/GaN固溶体的制备方法，包括如下步骤：

(1)  将水溶性Zn盐和Ga盐在去离子水中溶解，配制成混合盐溶液，然后向该混合盐溶液中滴加沉淀剂，同时伴以搅拌，调节pH值为8~9，直至生成共沉淀物后再继续搅拌10～15分钟，得到悬浊液；

(2)  将悬浊液洗涤、离心后得到的沉淀物放入水热釜中在100℃~130℃温度下进行水热处理，在上层溶液中得到高分散性层状双氢氧化物水溶液；

(3) 利用上述水溶液可分别制得高分散性ZnO/GaN固溶体薄膜或粉末状高分散性ZnO/GaN固溶体，其方法分别是：将步骤(2)得到的高分散性层状双氢氧化物水溶液旋涂在衬底上，将旋涂好的衬底放入管式炉，在750℃~850℃温度下经氨化得到高分散性ZnO/GaN固溶体薄膜；将步骤(2)得到的高分散性层状双氢氧化物水溶液离心干燥后得到的沉淀物放入管式炉，在750℃~850℃温度下经氨化得到粉末状高分散性ZnO/GaN固溶体。

其中，步骤(1)中所述的水溶性Zn盐为ZnCl₂、ZnSO₄或 Zn(NO₃)₂，水溶性Ga盐为GaCl₃或Ga (NO₃)₃，水溶性Zn盐和水溶性Ga盐的摩尔比为1:1~10:1，沉淀剂为氢氧化钠、碳酸钠、尿素或氨水。

高分散性ZnO/GaN固溶体薄膜的制备方法中，所述的衬底为Si衬底或玻璃衬底，高分散性ZnO/GaN固溶体薄膜的厚度小于300nm。

另外，本发明还提供将制得的高分散性ZnO/GaN固溶体薄膜作为光催化剂分解水的用途：将ZnO/GaN固溶体薄膜放入水中，经可见光照射将水分解为H₂和O₂。