[发明专利]一种ZnO-SrTaO2N复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机环保光催化材料技术领域，具体涉及一种ZnO-SrTaO₂N复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

随着工业进步和社会发展，工业废水的排放量亦日趋增加，已对人类的生存安全和社会可持续发展构成重大威胁，成了世界性头号环境治理的难题。作为一种高级氧化技术，半导体光催化技术能将许多废水中难分解的有机物彻底矿化，具有反应速度快、降解效率高、操作简单及无二次污染等优点，为工业废水的治理开辟了新途径。在众多的半导体光催化材料中，ZnO光催化剂具有催化活性高、稳定性好、价格便宜、无毒等优良性能，被认为是最具有潜在应用价值的光催化材料。

但ZnO禁带宽度为3.2 eV，只有在波长小于387 nm的紫外线下才能激发其催化活性。在到达地面的太阳能中，这一波段的能量尚不足5%，而可见光部分的比例却占到太阳能的45% 左右。此外，ZnO光催化剂在光催化过程中光生电子和空穴容易复合，催化效率低。因此，如何拓宽ZnO光催化剂光谱响应范围、提高其光量子效率成为光催化科研究的重点和难点。

SrTaO₂N是一种过渡金属氧氮化物，由于二价氧元素部分被电负性较小的三价氮元素取代，金属阳离子或多或少被还原，晶体结构发生变化，SrTaO₂N因而表现出新的光、电、磁, 力学性能。研究表明，SrTaO₂N的禁带宽度为2.2 eV，能吸收波长小于563 nm的可见光。为了拓宽ZnO的光谱响范围，将其与具有理想带隙的SrTaO₂N相复合，利用两种半导体之间的能级差能使光生截流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，使电荷有效分离，是提高ZnO太阳能利用率和光量子效率的有效途径。ZnO光催化剂的导带电势E_CB=-0.31 eV，价带电势E_VB=2.89 eV，而SrTaO₂N光催化剂的导带电势E_CB=-0.71 eV，价带电势E_VB=1.49 eV。在ZnO/SrTaO₂N复合半导体中，SrTaO₂N的导带电势更负，光生电子容易从能级低的SrTaO₂N导带迁移到能级高的ZnO导带上，同时，ZnO的价带电势更正，光生空穴容易从能级高的ZnO价带迁移到能级低的SrTaO₂N价带上，从而提高光生电荷的分离效率，扩展了ZnO的光谱响应范围。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种太阳能利用率高，光催化活性好的ZnO-SrTaO₂N复合光催化剂。

本发明解决的另一个技术问题是提供了一种操作简单且易于实现的ZnO-SrTaO₂N复合光催化剂的制备方法。

本发明的技术方案为：一种ZnO-SrTaO₂N复合光催化剂，其特征在于是由ZnO与SrTaO₂N粉体复合而形成的ZnO-SrTaO₂N复合光催化剂，其中ZnO与SrTaO₂N的摩尔比为5-15:1。

本发明所述的ZnO-SrTaO₂N复合光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将五氧化二钽、碳酸锶和丙酮按摩尔比1:2:15的比例加入到玛瑙研钵中研磨均匀，然后将样品均匀平铺在刚玉舟上，装入管式气氛炉中，在氨气气氛下1000℃煅烧20小时得SrTaO₂N粉体；（2）配制硫酸锌溶液，在搅拌的条件下向硫酸锌溶液中加入乙二胺四乙酸二钠溶液形成透明混合溶液A，混合溶液A中乙二胺四乙酸二钠与硫酸锌的摩尔比1.5:1；（3）在搅拌条件下将步骤（1）所得SrTaO₂N粉体加入到混合溶液A得混合溶液B，混合溶液B中硫酸锌与SrTaO₂N粉体的摩尔比为5-15:1，然后将混合溶液B在60℃的水浴中保持24小时得湿凝胶，湿凝胶经110℃干燥得干凝胶；（4）将步骤（3）所得干凝胶转移到马弗炉中在400-500℃保持2小时后得到具有高催化活性的ZnO-SrTaO₂N复合光催化剂。