[发明专利]一种纳米尺度海胆状TiO2/ZnO光催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开的纳米尺度海胆状TiO₂/ZnO光催化剂，在TiO₂纳米颗粒团聚成的纳米微球外层分布有ZnO纳米棒，其中，TiO₂为锐钛矿相结构，ZnO为六方纤锌矿结构。其制备方法包括：将配置的醋酸锌的甲醇溶液和氢氧化钾的甲醇溶液混合，制得ZnO溶胶；将TiO₂纳米粉体分散于ZnO溶胶中，在TiO₂表面包覆ZnO籽晶层，洗涤分离出粉体；再将该粉体加入到含有硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中，诱导沉积ZnO纳米棒。本发明的纳米尺度海胆状TiO₂/ZnO光催化剂极大地提升了材料的比表面积和载流子分离效率，其光催化性能优于商业德固赛P25纳米粉。

技术领域

本发明涉及一种纳米尺度海胆状TiO₂/ZnO光催化剂及其制备方法，适用于光催化降解污染物、光电催化产氢及染料敏化太阳能电池等，属于环保能源领域。

背景技术

半导体材料在光催化领域及能源领域具有广泛的应用。其中，TiO₂和ZnO因其价格低廉、制备简单、生物相容性好、无毒无害，受到了广泛关注。但这两种材料都有一定的劣势，例如禁带宽度较大，只能响应紫光波段；较快的光生电子-空穴对的复合速率，光量子效率低等。

优化材料自身的纳米形貌、与其他半导体进行复合是两种有效提升材料光催化性能的改性方法。一维纳米结构可以成为光生载流子移动的快速通道，同时分支结构可以提升材料比表面积，增加光的散射，从而作为接收光子的主要部分，促进对光子的吸收；不同半导体之间的复合，会因为两种半导体导带和价带位置的不同，使得电子向导带能量低的半导体流动，相应地，空穴向价带能量低的半导体流动，抑制光生电子-空穴对的复合，进而提升材料的光量子效率。

目前已有相关技术可以实现TiO₂/ZnO复合光催化剂的制备，但所得粉体为微米级，不利于光催化性能的充分发挥。例如，Zahid Ali [Zahid Ali, et al., J. Mater.Chem. A, 2014, 2, 6474-6479. ]和Pengfei Cheng [Pengfei Cheng, et al.,Mater.Lett., 2016, 175: 52-55. ] 等人采用籽晶诱导水热技术，在TiO₂微米球表面沉积ZnO，最终得到的海胆状微球直径分别为1-1.5 μm和1.5-2 μm，尺寸较大。目前还没有采用纳米尺寸TiO₂粉体作为诱导形核体生长出纳米尺度海胆状TiO₂/ZnO光催化剂及其相应制备方法的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米尺度海胆状TiO₂/ZnO光催化剂及其制备方法。

本发明的纳米尺度海胆状TiO₂/ZnO光催化剂，其特征是：在TiO₂纳米颗粒团聚成的纳米微球外层分布有ZnO纳米棒，其中，TiO₂为锐钛矿相结构，ZnO为六方纤锌矿结构，TiO₂纳米颗粒的粒径为5~10 nm。

上述的TiO₂纳米颗粒团聚成的纳米微球的直径为200~600 nm，ZnO纳米棒的直径为20~40 nm，长度为100~600 nm。

纳米尺度海胆状TiO₂/ZnO光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1）分别配置浓度为2.14g/L醋酸锌的甲醇溶液和浓度为1.67g/L氢氧化钾的甲醇溶液，将醋酸锌的甲醇溶液和氢氧化钾的甲醇溶液按体积比2:1混合，在60℃下搅拌1 h~3h，取出冷却，静置得到ZnO溶胶；

2）按每升ZnO溶胶中加入0.2~0.8g TiO₂纳米粉体，将TiO₂纳米粉体分散于步骤1）所得的ZnO溶胶中，然后洗涤分离出粉体；