[发明专利]一种ZnO/ZnGaNO两相复合结构光催化粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料领域，尤其涉及一种ZnO/ZnGaNO两相复合结构光催化粉末的制备方法。

背景技术

世界性的环境污染与生态破坏使人们对高效、节能、无二次污染的环境治理技术给予极大的关注。近年来，光催化氧化技术作为有毒或难生物降解的有机污染物的处理方法显示出广阔的应用前景。光催化技术的基本原理是：当半导体光催化剂受到能量大于禁带宽度(E_g)的光照射时，其价带上的电极(e^－)受到激发，越过禁带进入导带，在价带上留下带正电的空穴(h⁺)。光生空穴具有极强氧化性，可以直接氧化水中的有机物；或者可以夺取水中的电子，生产氧化性很强的羟基自由基(·OH)，·OH能够对电极表面附近的有机污染物进行无选择性的氧化，而且能发生所谓的“电化学燃烧”过程将有机物彻底氧化为CO₂和水。ZnO是高效半导体光催化剂的典型代表，ZnO具有比较宽的禁带(3.37eV)，只能利用波长很短的光(如紫外线)，另外其中电子和空穴有较强的“复合”倾向。而ZnO和GaN的固溶体(ZnGaNO，或者ZnO/GaN)，被证明是一种能在可见光下分解水的光催化材料，并且其带隙可调(随ZnO含量的增大而减少)。日本专利JP2005144210-A报道了一种利用Ga₂O₃和ZnO在850℃下与氨气反应的方法来制备ZnGaNO，但是这种方法通常需要10小时以上的高温反应时间，并且反应产物的ZnO含量通常低于30％，使得其只能吸收波长小于500nm的太阳光。中国专利申请CN102166527A和WangJunpeng等(JunpengWangetal.J.Mater.Chem.,2011(21):4562)报道了另外一种制备ZnGaNO固溶体的方法，这种方法利用共沉淀法获得了Zn²⁺/Ga³⁺/CO₃^2-层状双金属氢氧化物(LDHs)前驱体，然后将这种前驱体在800℃下与氨气反应0.5～2小时，所获得ZnGaNO固溶体ZnO含量大于50％小于80％，对波长大于500nm以上的可见光有吸收；在LDH前驱体制备过程中，Wang等人采用的是升高溶液pH的方法(升pH法)，即将含NaOH和Na₂CO₃的碱溶液滴入金属镓和锌的盐溶液中，使得混合溶液的pH不断减小直至pH为8。升pH法制备ZnGaNO固溶体内部多孔，影响了固溶体内部的光生载流子的迁移；另外，升pH法制备的ZnGaNO固溶体表面常常有ZnGa₂O₄等杂质，影响了ZnGaNO对可见光的吸收，阻碍了光生载流子与溶液接触参加氧化还原反应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、具有可见光响应、对水溶液中的有机物有较高光催化降解速度的ZnO/ZnGaNO两相复合结构粉末。

为实现上述目的，本发明提供一种ZnO/ZnGaNO两相复合结构光催化粉末，其特征在于，所述两相复合结构光催化粉末的内部为纤锌矿结构ZnO纳米片，外部为纤锌矿ZnGaNO固溶体纳米颗粒。

进一步，所述两相复合结构光催化粉末为直径100～500nm的颗粒；内部为厚度20～40纳米、直径100～500纳米的ZnO片状结构，外部为直径小于50纳米的ZnGaNO固溶体球状颗粒。

进一步，所述纤锌矿结构ZnO纳米片为纤锌矿结构的二元ZnO纳米片。

进一步，所述纤锌矿ZnGaNO固溶体纳米颗粒是纤锌矿结构的四元ZnGaNO固溶体纳米颗粒，含有Zn、Ga、N、O四种元素，其中N的原子百分比为5％～70％，Zn：Ga摩尔比为1:1～4:1。

进一步，制备方法为，

(1)将水溶性镓盐和锌盐在去离子水中溶解，配成混合金属溶液，然后将混合金属溶液迅速倒入含有CO₃^2-离子的碱溶液中并伴以搅拌，将溶液的pH值调为7～9之间，将溶液在空气中老化；

(2)将溶液离心分离获得沉淀物，将沉淀物用去离子水反复洗涤和离心分离，最后将洗涤后的沉淀物在空气中干燥得到白色固体，研磨成粉末即为前驱体；

(3)将上述前驱体在800℃氨气环境中氨化0.5小时，并在惰性气体保护下自然冷却到室温，即得到ZnO/ZnGaNO两相复合结构光催化粉末。