[发明专利]一种ZnO/Ag异质纳米阵列结构材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备方法及环境化学交叉应用领域，具体涉及ZnO/Ag异质纳米阵列结构材料、制备方法及其应用。

背景技术

ZnO作为一种重要的宽带隙半导体，由于催化效率高、成本低、环境可持续性是一种有广阔发展前景的光催化剂。但是，光催化过程光生电子空穴对的快速复合阻碍了ZnO光催化效率的增加。通常，金属和半导体由于功函和带隙的不同，在界面处将形成Schottky势垒，导致光生电荷的显著分离和转移。这种效应将很大的影响光生电荷的途径和复合速率，从而对荧光和光催化产生显著地影响。因此，在ZnO表面沉积贵金属纳米粒子改进ZnO表面性质，拓展ZnO作为光催化剂的使用是一条合理的途径。在贵金属中，Ag高效，便宜并且容易制备，最有利于在工业上应用。当ZnO附着Ag，Ag将作为电子冷阱允许电子通过界面从ZnO转移至Ag，提高电子、空穴的分离，增加ZnO表面羟基含量，增进有机物种的降解反应。而且，Ag能通过产生局部电场增进光催化活性，并且Ag表面等离子体的光学振动可以增强此电场。由于具有这些独特的光学和电学性质，ZnO/Ag异质结构不仅可以用作光催化剂而且可以用于抗菌、表面增强拉曼、气体传感器等。

一般，可以通过修饰合成的ZnO纳米结构或修饰Ag纳米结构或一步合成法合成出不同形貌的ZnO/Ag异质结构复合物。其中通过修饰合成的ZnO纳米结构是一种典型的方法。虽然修饰合成的ZnO纳米结构原理很容易理解，但是制备ZnO/Ag异质结构仍具有困难，因为很难完全避免Ag纳米结构的自成核，而且很难精确地控制ZnO纳米结构的表面，使其适合Ag纳米结构的生长。使用锌片为基底和反应物，调控合成高产率的ZnO纳米棒/Ag纳米片异质阵列结构，并直接利用阵列结构作为光催化剂尚没有相关的研究。这对研究光催化应用非常具有实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZnO/Ag异质纳米阵列结构材料及其制备方法，利用低温化学液相沉积法，工艺简单、成本低。

本发明还有一个目的，提供ZnO/Ag异质纳米阵列结构作为有机染料的光催化降解应用。

本发明提供的一种ZnO/Ag异质纳米阵列结构材料，形态为直径为250nm的ZnO纳米棒上附着尺寸为30-40nm的Ag纳米片。

本发明提供的一种ZnO/Ag异质纳米阵列结构材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压釜中，加入去离子水，然后加入1,6-己二胺，得到溶液A，然后，将干净的锌片倾斜地放在该溶液中，加热反应，结束后，自然冷却至室温，锌片上的白色产物分别用去离子水和无水乙醇各清洗3遍，然后50℃真空干燥6h；

(2)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30)和硝酸银(AgNO₃)溶解在去离子水的玻璃反应瓶中，相继加入柠檬酸三钠(C₆H₅Na₃O₇·2H₂O)和硼氢化钠(NaBH₄)，在磁力搅拌下，逐滴滴加双氧水(质量分数为30％)，继续搅拌1h，再将步骤(1)得到的锌片插入其中，加热反应，反应结束后自然冷却至室温，锌片上覆盖的棕黑色产物用去离子水和无水乙醇各洗涤3遍，然后50℃真空干燥6h。

步骤(1)中所述获得溶液A，其中去离子水和1,6-己二胺的体积比为10-4.5：1；

步骤(1)中所述的加热反应，温度150-180℃，反应时间5-8h；

步骤(2)中，聚乙烯吡咯烷酮在去离子水中的浓度1.06g/L；

步骤(2)中，聚乙烯吡咯烷酮、硝酸银、柠檬酸三钠和硼氢化钠的质量比为106:27:148:11。

步骤(2)中，所加双氧水与去离子水的体积比为1：100；

步骤(2)中，所述的加热反应，温度80℃，反应时间5h。

本发明还提供一种ZnO/Ag异质纳米阵列结构材料作为有机染料罗丹明B(RhB)的光催化降解应用。

将本发明制备的ZnO/Ag异质纳米阵列结构产品剪成1×1.5cm大小，放入5mL浓度为1.0×10^-5mol/L的RhB溶液中并在黑暗中搅拌1h，使催化剂表面达到吸附-解吸附平衡。之后，使用100W高压汞灯进行照射。每隔2min使用紫外-可见分光光度计(Shimadzu UV-2550)测定溶液的吸收光谱，通过554nm处的特征吸收峰来确定RhB的浓度。