[发明专利]一种Cu掺杂ZnO/石墨烯复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型光催化剂技术领域中的石墨烯复合光催化剂，具体涉及一种Cu掺杂ZnO(ZnO:Cu)/石墨烯复合光催化剂的制备方法。

背景技术

利用氧化物半导体光催化降解水和空气中的污染物是催化剂研究的热点。以TiO₂和ZnO为代表的氧化物半导体能在常温常压条件下能将生物难降解的有毒有机污染物有效降解甚至矿化，且其价格低廉、高效、不产生二次污染物，与目前研究最为广泛的光催化剂TiO₂相比，ZnO对光的响应程度更大，且在降解某些有毒有机污染物时表现出更高的量子产率。但由于ZnO本身禁带宽度的限制，光照产生的电子-空穴对极易复合，使得催化性能受到限制。由此发展了多种方法来减少电子-空穴对复合几率，如贵金属复合、过渡金属掺杂、碳纳米管复合等。但碳材料复合ZnO催化剂的应用受制于碳纳米管的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种可抑制电子-空穴的复合，明显提高催化效果的Cu掺杂ZnO/石墨烯复合光催化剂。

本发明另一目的在于提供所述制备方法Cu掺杂ZnO/石墨烯复合光催化剂的制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种Cu掺杂ZnO/石墨烯复合光催化剂的制备方法，如下包括步骤：

(1)将氧化石墨与表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵按照1∶1-1∶3的质量比在蒸馏水中混合，超声处理30-90分钟，得到前驱反应物一；将乙酸锌与乙酸铜按99∶1-90∶10摩尔比溶于蒸馏水中，超声处理10-40分钟，得到前驱反应物二；将六次甲基四胺和柠檬酸钠按5∶1-20∶1摩尔比溶于蒸馏水中，超声处理10-40分钟，得到前驱反应物三；

(2)前驱反应物一和前驱反应物二按体积比1∶4-6混合，经超声处理10-40分钟后与前驱反应物三按体积比1∶0.9-1.2混合，控制反应温度为70-120℃，反应2-6h；

(3)反应结束后，密封自然冷却，并静置，抽滤，得滤渣；

(4)将滤渣干燥后进行退火处理，退火过程为：100分钟升温至200-600℃，保温60分钟，然后自然冷却至室温。

为进一步实现本发明目的，前驱反应物三与前驱反应物一和前驱反应物二混合的方式优选为：将前驱反应物一和前驱反应物二倒入三口烧瓶中，将前驱反应物三倒入恒压漏斗；将三口烧瓶与恒压漏斗安置在恒温磁力搅拌油浴里，前驱反应物三经恒压漏斗滴入三口烧瓶中，油浴温度控制在70-120℃，恒压漏斗的流量控制在1.4-1.6ml/分钟。

步骤(1)得到前驱反应物一中氧化石墨与表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵优选按照1∶1-1∶2的质量比在蒸馏水中混合。

步骤(1)得到前驱反应物二中乙酸锌与乙酸铜优选按95∶1-90∶10摩尔比溶于蒸馏水。

步骤(1)得到前驱反应物三中六次甲基四胺和柠檬酸钠优选按10∶1-15∶1摩尔比溶于蒸馏水。

所述静置的时间优选为24小时。步骤(4)优选100分钟升温至350-450℃。

一种Cu掺杂ZnO/石墨烯复合光催化剂：由上述述制备方法制得，该Cu掺杂ZnO/石墨烯复合光催化剂中Cu与ZnO摩尔比在1-10％，石墨烯与ZnO的质量比为1∶100-20∶100。

本发明制备的Cu掺杂ZnO(ZnO:Cu)/石墨烯复合光催化剂，具有晶粒尺度分布较均一，ZnO纳米颗粒和石墨烯复合均应的特点，在光催化领域有很好的应用前景。

石墨烯因其独特的电学性能、力学性能、热性能和高比表面积，近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视。石墨烯复合材料的制备是石墨烯研究领域一个重要的课题。将石墨烯与半导体光催化剂结合，石墨烯的大比表面积能极大地促进有机污染物的吸附，提高光催化过程的传质效率；层层自组装的结构具有大的界面面积，有利于催化剂光生载流子的分离与传输，避免光生电荷的复合，提高光电转换效率。同时Cu离子的引入，可以充当离子陷阱，暂时捕获载流子，抑制电子-空穴的复合，从而提高催化效果。

本发明的原理：(1)在溶液中下，通过控制表面活性剂和反应物的比例；(2)合理的控制退火的温度和保温时间使产物达到结晶完整，尺度均一，ZnO均匀在石墨烯的附着。