[发明专利]一种分级结构ZnO/CuO复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于光催化降解技术领域，公开了一种分级结构ZnO/CuO复合材料及其制备方法。本发明首先采用低温微波活化法制备分级结构ZnO，并以制备的分级结构ZnO为基体材料，进一步采用低温微波活化法在分级结构ZnO表面原位自生长CuO纳米颗粒，从而获得分级结构ZnO/CuO复合材料。本发明采用低温微波水热的方法，具有快速制备、能耗低、重复性好等特点，且所得复合材料光响应范围从紫外波段拓宽到了可见光波段，同时可见光吸收强度得到显著增强，适合推广应用。

技术领域

本发明涉及光催化治理水污染的领域，具体涉及一种分级结构ZnO/CuO复合材料及其制备方法。

背景技术

半导体光催化剂因其在产氢和去除污染方面有很大的潜力，引起了广泛的关注，是公认的能够同时解决能源和环境危机的战略措施。迄今为止，已经有多种具有活性的宽禁带半导体催化剂快速发展起来，例如：TiO₂、SnO₂和ZnO。尽管宽禁带半导体在紫外激发下有很好的催化活性，这些材料在可见光的照射下并不能被激发而催化降解污染物。然而，紫外光波段仅占太阳光的一小部分(4％)可见光却占据了将近一大半(43％)。与之相对应的，窄带隙的半导体的光响应范围可以很好地扩展到可见光波段。但是，这些具有窄带隙半导体中光激发产生的电子和空穴复合速率较快，所以光催化活性并不能保持太长时间。因此，学者们尝试拓宽光催化剂的光响应波段从紫外转移到可见光波段，可以促进光激发产生的载流子，故能获得具有较高降解效率的催化剂。

ZnO作为一种重要的宽禁带催化剂具有较高的荧光效率，电荷迁移速率和光催化活性。目前，构造ZnO材料与窄带隙的半导体形成异质结得到了迅速发展，该方法可以有效提高ZnO基催化剂可见光吸收并减小光催化过程中电子空穴对的复合率。过去几十年里，ZnO复合半导体材料已经研究报道了很多包括：Fe₂O₃、WO₃、CdS、Cu₂O和CuO等。p-n型异质结作为很有潜力的异质结，在显著拓宽对太阳光吸收的同时，也可有效抑制光生载流子的复合。其中，CuO作为一种p型半导体对可见光的吸收效率很高，可是光催化活性却很低。基于CuO与ZnO的能带结构很匹配，二者形成p-n型异质结将会引起正负电荷在界面处相反的迁移，这样就会阻止光生电荷的复合并延长光生载流子的寿命。因此，pn型CuO-ZnO异质结作为一种在产生和收集电子空穴方面很有潜力的功能材料，能够应用到很多光电催化的领域例如：气敏设备、自洁净及光裂解水等。然而，目前，关于制备CuO-ZnO异质结复合物用于降解有机复合物的研究报道却很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种分级结构ZnO/CuO复合材料及其制备方法，本发明采用低温微波水热的方法，实现低温、快速制备，所得复合材料光响应范围可拓宽到了可见光范围，且吸收强度显著增强，应用前景广阔。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种分级结构ZnO/CuO复合材料的制备方法，首先以四甲基氢氧化铵为模板剂，苄基三乙基氯化铵为阳离子型表面活性，锌盐为主要原料，采用低温微波活化工艺制备分级结构ZnO；然后以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，苄基三乙基氯化铵为模板剂，进行二次低温微波活化工艺，在分级结构ZnO表面原位自生长CuO纳米颗粒，得所述分级结构ZnO/CuO复合材料。

上述方案中，所述低温微波活化工艺为：1)将锌盐超声溶解于DMF溶剂中，然后将尿素超声溶解于所得混合液中，加入四甲基氢氧化铵，混合均匀得分级结构ZnO前驱体溶液；2)将所得分级结构ZnO前驱体溶液置于微波反应器中，在微波功率为45-65W，温度为60-70℃，压力为0.7-0.8Mpa的条件下，进行微波反应2-3h后冷却至室温，将所得产物进行洗涤、干燥、一次烧结，得分级结构ZnO。

上述方案中，所述锌盐、尿素、四甲基氢氧化铵、苄基三乙基氯化铵的摩尔比为1:(0.5～1.5):(0.6～0.8):(0.5～1)。