[发明专利]一种高比表面多孔结构ZnO/ZnGa2O4可见光催化剂的制备与应用

说明书

技术领域

本发明属于新材料及其制备技术领域，涉及一种高比表面的ZnO/ZnGa₂O₄多孔结构无机材料的制备方法，它在可见光照射下有良好的光催化性能。

技术背景

能源短缺与环境污染问题是制约全球经济快速发展的两个瓶颈问题，将绿色环保的光催化技术应用于这两个方面已引起了科学家们的广泛关注。借助于太阳光将水和生物质分解成氢气，把空气和水中的有机污染物和无机污染物氧化或还原降解为无害物质，具有低能耗、绿色的特征。寻求新型高效光催化材料是发展与应用光催化技术的关键内容之一，目前研究的大部分光催化材料需要较高的能量激发，可见光下反应活性不理想，而对可见光有响应的光催化材料，其光催化量子效率也普遍偏低，稳定性不强，使光催化材料距离实际应用还有相当的差距。寻找新的材料，采用新的合成方法，制备出具有高比表面、高稳定性、太阳光能量转换效率高及吸收光谱广的新型环境友好型光催化材料，对解决光催化技术应用于环境保护、能源等方面具有重要的战略意义。

尖晶石AB₂O₄的晶体结构属于立方晶系Fd3m空间群，一般A位为二价离子，B位为三价离子。尖晶石型材料是一类重要的功能材料，具有熔点高、硬度高、热稳定性好、耐腐蚀性等特点，在催化、陶瓷、染料、传感、电池、冶金、催化等领域具有极其广泛的应用。ZnGa₂O₄是由ZnO和Ga₂O₃组成的一种具有尖晶石晶体结构的复合氧化物，具有很高的化学稳定性。ZnGa₂O₄（Eg=4.4eV）的能带间隙较宽，作为光催化剂只能被紫外光激发，单一ZnGa₂O₄在光催化技术中没有太多应用。ZnO作为新一代的宽带隙半导体，具有良好的导热、导电、光电特性，而且化学性质稳定，在光催化领域也得到了一定的应用。但ZnO易发生光腐蚀，具有较宽的禁带宽度，在光催化过程中，需要紫外光激发，不能充分的利用太阳光，并且光激发产生的电子空穴对的复合几率高。要克服上述光催化剂的问题，采用改性、修饰和复合不失为一种有效的方法。将两种宽带隙半导体复合，通过中间带和异质结的形成，可有效提高可见光响应和光电荷的利用。用通常的液相法制备的光催化材料容易发生团聚，比表面积较小，限制了光催化活性的提高。如果制备过程中加入一些分散剂或络合剂可减轻产物的团聚现象，形成具有多孔结构高比表面材料。

本文以糖类、硝酸锌和硝酸镓为原料，在分散剂的辅助作用下，采用一步水热法制备得到了ZnO/ZnGa₂O₄前驱体，通过控制Zn和Ga的物质的量，调节ZnO和ZnGa₂O₄生成量。由于两种不同晶体紧密结合，类似于半导体耦合，它们的价带和导带电位不同，使光生电子和空穴的分离效率提高，抑制了载流子的复合，最终导致六方晶相和立方相混晶的光电转换效率提高。同时多孔结构作为一种新的纳米结构材料，其特有的高比表面积使它具有许多优异的物理化学性能，从而在光催化应用等方面具有很好的前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高比表面的ZnO/ZnGa₂O₄复合纳米多孔结构材料的制备方法，其特征是通过控制Zn与Ga的比例，在糖和聚乙二醇（PEG）辅助作用下，采用水热法反应获得产品前驱体，经高温焙烧后获得ZnO/ZnGa₂O₄复合纳米多孔结构光催化材料。

本发明获得的高比表面ZnO/ZnGa₂O₄复合纳米多孔结构材料的制备方法及应用包括以下步骤：

(1)按Zn与Ga物质的量比为1.0:0.5～1.0:2.0分别称取所需硝酸锌和硝酸镓加入到去离子水中，将其在磁力搅拌下溶解形成混合硝酸盐溶液，具体的Zn与Ga物质的量比为1.0:0.5、1.0:0.75、1.0:1.0、1.0:1.25、1.0:1.5、1.0:1.75或1.0:2.0；

(2)将PEG加入到步骤(1)制得的混合硝酸盐溶液中作为分散剂，加入量以反应理论可得到的ZnO/ZnGa₂O₄的质量来衡量，可以为5%、10%、15%或20%，待其完全溶解后，在磁力搅拌下逐滴加入25%氨水，调节溶液pH值为8～10；