[发明专利]一种牡丹花状异质结构微米球光催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于微纳米合成材料领域，具体涉及一种牡丹花状异质结构微米球光催化剂及其制备和应用。

背景技术

环境和能源是21世纪人类面积和亟待解决的重大问题。染料在人类日常生活的很多领域都有应用，例如服装、建筑、餐饮等行业。然而，由于很多染料都是非天然的、化工合成的，因此很难被自然降解。统计数据表明，约占世界总产量15％的染料在染色过程中丢失，这已经成为了世界性的难题。虽然很多技术可以处理被污染的水，但大都具有成本高、效率低、副产品多等缺点。

近年来，由于光催化可以充分利用太阳能，使之成为了一种重要的实用净化水技术。在诸多光催化剂中，二氧化钛(TiO₂)由于具有光活性、安全无毒、高化学稳定性、成本低等特点得到了广泛的引用。然而由于TiO₂的带隙比较宽，只能吸收紫外波段的太阳光，因此极大限制了它的实际应用。尽管有些合成方法可以克服，例如通过表面连续吸附将量子点偶联到TiO₂表面，但是这些方法存在制备工艺复杂，设备成本高，时间消耗长等缺点，成为了工业化生产的瓶颈。另一方面，三元半导体由于具有可调带隙、很高的耐缺陷性和高稳定性，得到了人们的广泛关注。然而单一结构的三元半导体的带隙相对固定，不能充分的利用太阳光，因此具有多波段吸收的光催化剂的制备迫在眉睫。

发明内容

为了实现对太阳光的广谱吸收，实现高效的光催化降解有机染料，本发明的目的是提供一种牡丹花状异质结构微米球光催化剂。一种牡丹花状异质结构微米球光催化剂，其由内到外依次为Zn-In-S核、20-200nm的Zn-Ag-In-S中间层和10-50nm的Ag-In-S外层；首先通过水热生长法合成牡丹花状的Zn-In-S核微米球，使其表面为厚度50nm左右的纳米片自组装堆叠形成的类似花瓣层状结构，内部为实心；然后利用部分阳离子交换法，将Zn-In-S核微米球表面区域的Zn-In-S转变成Ag-In-S，在这两层中间有一个过渡层为Zn-Ag-In-S中间层。

优选的，所述异质结构的牡丹花状微米球是对比表面积和光学吸收带隙的控制的微米球；所述微米球的尺寸为0.5-10μm、形貌为花瓣层状、比表面积为100-150m²/g。

本发明的另一目的是提供一种异质结构微米球光催化剂的制备方法及其应用。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种具有较高比表面积的高效光催化剂的制备方案：

(1)Zn-In-S微米球的制备：

通过水热生长法，控制反应物锌盐、铟盐、硫源的量摩尔比为1:(0.8-3.2):(4-8)；控制反应液的pH值在0.5-3之间、反应温度为100-180℃，反应时间为2-8小时，得到不同尺寸的牡丹花状的Zn-In-S微米球；产物用乙醇和去离子水交替洗涤、离心，然后保存在乙醇或去离子水中；

(2)Zn-In-S/Ag-In-S异质微球的制备：

将步骤(1)所得到的Zn-In-S微米球分散在甲醇和水的混合液中，通过部分阳离子交换，控制加入0.2-5mmol的AgNO₃和控制溶液酸碱度pH值在0.5-3之间、反应温度为100-180℃，反应时间为2-8小时,控制得到不同厚度的Ag-In-S层；产物用乙醇和去离子水交替洗涤、离心，然后保存在乙醇或去离子水中。

优先的，锌盐选自硫酸锌、硝酸锌、乙酸锌或者氯化锌等类似物之一；铟盐选自硫酸铟、硝酸铟、乙酸铟或者氯化铟等类似物之一，硫源选自硫代乙酰胺、硫脲或者硫化钠等类似物之一或者组合物；铟盐和锌盐的摩尔比在0.8-2.5之间，pH值的范围在0.5-3之间，硫源的物质的量是锌盐物质的量的4-8倍。

优先的，所述的Zn-In-S微米球和Zn-In-S/Ag-In-S异质微球的制备是在聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中合成，反应温度为100-180℃，反应时间为2-8小时。

进一步优先的，阳离子交换反应的反应温度为120-160℃，反应时间为4-6小时。

同时，本发明提供了所述异质型微米球在光催化降解污染水中染料的应用。具体为将不同结构、组分的光催化剂加入到染料污染水溶液中，然后在自然光或者钨卤素灯下照射以实现对染料的光降解。

本发明的积极效果如下：

(1)本发明的采用简单的水热法合成具有不同比表面积的牡丹花状的微米球光催化剂，使得材料对紫外波段具有高的吸收效率；