[发明专利]一种Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂的制备方法，属于半导体纳米光催化材料技术领域。

背景技术

能源短缺与环境污染问题是人类未来将要面临的最主要挑战，而光催化分解水及降解污染物被认为是解决这两个问题的有效方法。相比传统的TiO₂，同为宽禁带半导体的ZnO拥有更丰富的来源和更高的量子效率，被认为是有潜力替代TiO₂的材料之一。ZnO是一种原材料丰富，环境友好的半导体材料，带隙宽(E_g≈3.3eV)，在紫外光照射下能够产生具有很强氧化还原能力的空穴和电子。因此，ZnO理论上具有与TiO₂相近的光催化能力。然而，由于光生载流子的迅速复合导致ZnO光催化性能降低和光腐蚀造成的自身结构不稳定，这两个问题严重制约了ZnO在光催化领域的发展。

将石墨烯与ZnO进行复合制备ZnO/rGO复合光催化剂是一种有效提高ZnO光催化性能和光腐蚀抗性的方法。现有技术中尚未见对ZnO和rGO同时进行掺杂后再复合的研究和报道。本发明通过Cu掺杂制备出p型ZnO，然后与N掺杂的n型rGO复合形成纳米p-n结型复合光催化剂，利用rGO优良的电子传递性能和p-n结存在的内建电场抑制光生载流子的复合，有效提高光催化性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备成本低、工艺简单的Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂的制备方法。

本发明的Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂，由Cu掺杂的ZnO纳米棒和包覆于上述纳米棒外的N掺杂还原氧化石墨烯(rGO)构成。制备方法包括以下步骤：

1)将Zn(CH₃COOH)₂·2H₂O、HMTA和Cu(CH₃COO)₂溶于去离子水中，使Zn(CH₃COOH)₂·2H₂O和HMTA的浓度均为30mM，Cu(CH₃COO)₂浓度为0.3mM～0.9mM，获得混合溶液，将混合溶液置于反应釜中在90℃下保温4h，将得到的沉淀物离心洗净并干燥，获得Cu掺杂的ZnO纳米棒；

2)将步骤1)的Cu掺杂ZnO纳米棒分散在去离子水中，然后加入5wt％的GO溶液，充分搅拌1h后，转移至水热釜中120℃水热保温12h，将得到的沉淀物离心洗净并干燥，获得Cu:ZnO/rGO粉末；

3)将步骤2)的Cu:ZnO/rGO粉末置于石英舟中，先通5min NH₃和Ar混合气，其中NH₃体积含量为10％，然后以20℃/min的速度升温至200℃，随即在5min内匀速升温至300℃～500℃后随炉降温至室温，取出样品得到Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂。

本发明的Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂提升ZnO光催化性能和光腐蚀抗性的原理是：Cu掺杂使本征n型ZnO变为p型，与N掺杂的rGO复合后比表面积增大，光催化反应活性位点增多，反应速率增大；其次p型ZnO与n型rGO形成纳米级别的p-n结，由于内建电场的存在，光生载流子能够迅速地从ZnO转移至N:rGO上，抑制了光生载流子的复合，使光催化性能提高。提高光腐蚀抗性的原因主要有：rGO与ZnO之间C-O的强烈杂化作用能够有效抑制ZnO表面O原子的活性，增强ZnO的稳定性；包覆在ZnO表面的rGO起到类似壁垒的作用，防止ZnO因光腐蚀而结构被破坏；rGO巨大的比表面积能够吸附染料分子，而染料分子能够捕获空穴，与导致ZnO光腐蚀的反应形成竞争，降低了ZnO光腐蚀程度。

本发明的有益效果在于：

1)本发明Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂制备方法简单，可重复性好，产率较高，制备出的复合光催化剂结构稳定，性能优良。

2)Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂对常见污染物有很高的光催化降解活性，而且比常见的未掺杂ZnO-rGO光催化剂的性能更好，能够在更短的时间内完成对污水的光催化净化。

3)本发明的Cu:ZnO/N:rGO复合光催化剂具有优秀的光腐蚀抗性，经过多次光催化循环降解实验后仍能保持较高的光催化活性。

附图说明

图1为Cu:ZnO/N:rGO的XRD衍射图片。

图2为Cu:ZnO/N:rGO的SEM图片。

图3为Cu:ZnO/N:rGO的TEM图片。