[发明专利]p-NiO/n-ZnO异质结光催化材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料及其制备的技术领域，涉及一种NiO/ZnO异质结光催化材料及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，污染问题也日益严重，污水、废气及反应副产物等高毒性污染物大量产生，尤其是纺织、印染等工业生产过程中产生的废水，含有染料、副产物和无机盐等，都为难生物降解的废水。光催化降解技术具有可充分利用太阳光、反应条件温和、操作简单等优点，能有效催化降解各种染料、有机物和无机物，是解决全球性水污染的一个重要途径。

半导体pn结型复合光催化材料包括同质pn结和异质pn结，涉及到n型半导体和p型半导体材料。在pn结的界面处形成了空间电荷区，产生一个从n到p的自建电场，该电场可将扩散到电场区的光生载流子定向分离，使电子在n型半导体一侧聚集，空穴在p型半导体一侧聚集，相比于单纯的p型或n型材料可有效减少光生载流子的复合，有效提高光催化效率。

氧化锌(ZnO)是一种宽带隙(3.37eV)半导体材料，具有高的电子传输速率和长的光生电子寿命，同时纳米材料形貌丰富，使其在光催化降解有机污染物、光催化制氢、太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。但是，在非故意掺杂条件下，由于氧空位和锌间隙等施主型缺陷的存在使ZnO的导电类型为n型，并且由于自补偿效应很难获得高载流子浓度的p型ZnO，限制了ZnO基pn结的应用。在这种情况下，需要寻找其他的p型半导体材料与ZnO形成异质pn结。NiO是一种p型宽带隙(带隙3.5-4.0eV)半导体材料，可与ZnO形成p-NiO/n-ZnO异质pn结，用于光催化领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种p-NiO/n-ZnO异质结光催化材料及其制备方法与应用，利用水热法在透明导电薄膜衬底(ITO)上制备NiO/ZnO异质pn结，光生电子和空穴在pn结的自建电场作用有效分离，提高光催化性能，开展了光催化性能的研究，表明NiO/ZnO异质pn结在光催化降解有机物方面具有很好的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种n-NiO/p-ZnO异质结光催化材料，在ITO衬底上生长ZnO纳米阵列，然后在ZnO纳米阵列上生长NiO网格结构，构成ZnO/NiO的双层复合结构。

一种上述n-NiO/p-ZnO异质结光催化材料的制备方法，利用水热方法合成ZnO纳米柱阵列和NiO纳米网格结构，最终获得n-NiO/p-ZnO异质结结构，用于光催化领域。具体技术方案如下：

步骤一、ITO衬底的清洁处理：

将ITO置于浓度为7％的盐酸中浸泡5-10s，用去离子水冲洗ITO表面洗净盐酸；再利用去污粉超声清洗10-15min；取出后用去离子水冲洗ITO表面的去污粉，在丙酮和乙醇中超声清洗10-15min；用去离子水洗净，将ITO吹干备用。

步骤二、制备ZnO溶胶凝胶：

种子层的生长原料是氧化锌的溶胶凝胶溶液，其制备步骤如下：将质量比3.8∶1的乙酸锌(Zn(CH₃COO)₂·2H₂O)和氢氧化锂(LiOH·H₂O)溶解于100-500ml无水乙醇中，在80-100℃下快速搅拌5-10min，将其冷却至室温备用。

步骤三、制备ZnO种子层：

通过提拉法在导电玻璃上镀上一层均匀的溶胶凝胶膜，具体步骤如下：将洗净的ITO衬底悬置在步骤二中配置好的溶胶凝胶中10-30min，然后匀速提拉使其表面有一层均匀的液体膜，再将其放入电热恒温箱中120-150℃恒温干燥10-30min，为了得到与衬底结合较为紧密的种子层，需将得到的种子层放入管式退火炉中150-300℃保温10-30min，如此计为一次提拉。实验用的种子层要求3-12次提拉。提拉完成后将带有ZnO种子层的ITO保存备用。

步骤四、制备ZnO纳米阵列：

将配制好的等摩尔浓度的乙酸锌和六次甲基四胺的混合水溶液(0.01～0.1mol/L)倒入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，填充度控制在60～80％；将步骤三中制备的带有种子层的ITO衬底生长面向下放入反应釜中，密封反应釜并放入恒温加热干燥箱中，在70～100℃下保温2～6小时；降至室温，将长有ZnO纳米柱阵列的ITO衬底取出，用去离子水冲洗，在空气中自然干燥，制得ZnO纳米阵列。

步骤五、制备NiO纳米结构：