[发明专利]一种ZnO/g-C3N4纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种ZnO/g-C₃N₄纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

环境恶化和能源短缺是人类21世纪所面临的最大挑战，寻找清洁的能源和可持续、可再生的能源已经成为世界各国共同关心的问题。因此，绿色可再生能源(如太阳能、风能、水能、氢能以及地热能等)的开发与利用就成为了当前人们研究的热点问题。氢能作为可再生的二次能源载体，具有清洁、高效、可储存运输等诸多优点，已普遍被认为是新世纪最理想的无污染的绿色能源之一，被誉为“未来的石油”，受到世界各国的高度关注，其开发利用对缓解石化能源日益枯竭所带来的能源危机具有十分重要的意义。然而传统的制氢方法需要消耗巨大的常规能源，成本太高，大大限制了氢能的推广应用，直到1972年，Fujishima和Honda首次利用PEC技术，用TiO₂作为光阳极来电解水，揭示了利用太阳能制氢的可能性。光电化学(photoelectrochemical,PEC)电池制氢作为太阳能制氢的一种技术，是在光阳极和光阴极上将水分别分解成氧气和氢气，而且体系没有副产物，不会给环境带来二次污染，结构简单、投资少，既可小规模应用，又可大规模开发。因此光电化学电池制氢是太阳能-氢能系统最具有前景的技术，而基于太阳能和水的PEC电池制氢技术也必将成为世界能源未来发展的趋势。

C₃N₄是一种碳氮化合物，它有五种可能存在的结构。其中，类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种具有类石墨结构的稳定的化合物，由单层的氮化碳薄片通过层层堆叠而成，是氮化碳中最稳定的同素异形体。由于其特殊的半导体特性(禁带宽度2.7eV)，可见光区有吸收，以及在水溶液中的高稳定性和无毒、易制备等特点，在光电转换、光催化和能源储备方面都有很好的应用前景。g-C₃N₄层间结构具有一定的层间距，理论上具有大的比表面积，在对太阳光的吸收和加速电子转移方面有一定的优势。然而，事实上通过高温聚合制备的g-C₃N₄样品比表面积很低，主要是由于g-C₃N₄在煅烧的过程中层状结构团聚现象严重。因此，制备分散性良好的g-C₃N₄成为提高其光响应电流密度的有效途径之一。目前有研究通过采用与具有高电导性能、较大比表面积的其他材料复合，有效地提高了复合材料的光电转换效率。然而，至目前为止，直接在载有一维结构半导体材料的电极上包覆g-C₃N₄的复合材料依然未见报道。氧化锌(ZnO)是一类较为常见而且廉价的半导体材料，也被广泛的应用于日常生活中。作为一维纳米结构材料，ZnO的纳米棒拥有着巨大比表面积、电子传输路径变短等优异性能和价格低廉，毒性小，来源丰富等优点。因此g-C₃N₄与ZnO纳米棒的复合，能够将g-C₃N₄优异的可见光吸收性能与ZnO的宽禁带、高比表面积和低电子传输路径整合，提高了光生电子空穴的分离效率，有效增强了光响应电流密度，进一步提高了对太阳光的利用率。此外，目前纳米材料的大批量生产仍然限制着纳米材料的发展。本发明所设计方法为其进一步应用于太阳能利用领域打下了坚实的理论和实践基础。

发明内容

本发明的目的之一在于提供具有一种良好光电性能的ZnO/g-C₃N₄纳米复合材料。

本发明的目的之二在于提供该材料的制备方法。为了克服现有技术中制备g-C₃N₄复合材料仅仅局限于制备粉末样品的问题，提供一种简易直接地在载有一维结构半导体材料的电极上包覆g-C₃N₄的方法。

本发明的目的之三在于提供该材料的应用。

本发明采用如下技术方案：

本发明的ZnO/g-C₃N₄纳米复合材料为ZnO/g-C₃N₄核壳纳米棒复合材料，是一维结构复合材料，ZnO纳米棒材料外面包覆g-C₃N₄。