[发明专利]一种Co掺杂的ZnO光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种ZnO光催化剂的制备方法，尤其涉及一种Co掺杂的ZnO光催化剂的制备方法，属于光催化技术领域。

背景技术

社会经济的高速发展带来了严重的环境恶化的问题，特别是工业废水的大量增加使水体污染问题十分严重。目前，各国政府已经充分意识到水污染问题的严重性，因此对该领域的研究与技术开发备受关注。太阳能源作为绿色能源的代表，具有广泛性、充足性、长久性、清洁性以及安全性等其它常规能源所难以具备的特点。将太阳能转化为可用于催化的化学能成为近半个世纪以来人们所关注的研究热点。Fujishima研究组于1979年首次报道了利用无机半导体材料的光催化过程的研究结果，近年来随着研究的深入，人们发现光催化及其相关技术在环境污染治理技术、太阳能转换等诸多方面都显示出诱人的应用前景，且光催化氧化技术是一种全新的“绿色技术”，以其能耗低、操作简单、反应条件温和、氧化性强、成本低、无二次污染等特点，在环境治理方面日益受到人们的普遍重视，并成为各国产业界和学术界研究的热点。

ZnO是宽禁带直接带隙半导体材料，室温下带隙约为3.37eV，ZnO具有无毒害，环境友好，生物相容，易于制备等优点。在光的照射下，ZnO激发后产生的电子-空穴对具有氧化、还原的能力，对有机物分子结构具有很强的破坏作用，使长链分子变成短链分子(一些有机物甚至最终能被分解成二氧化碳和水)。

与常用的TiO₂光催化剂相似，ZnO的带隙3.37eV导致其只能吸收紫外波段(波长短于370nm)的光，而太阳光中紫外波段的光只占总能量的4％左右，可见光波段(400～760nm)光占了总能量的45～50％。如何能有效的利用太阳光，实现对有机污染物的降解是当前研究的热点。

研究发现，通过Fe³⁺、Cu²⁺、Ni²⁺和Mn²⁺等过渡金属离子对ZnO光催化剂的掺杂改性，可以改变ZnO的带隙能、产生杂质能级和晶格缺陷，提高光量子效率和氧化还原能力，从而提高光催化活性。此外，过渡金属离子与ZnO晶体中Zn²⁺的原子半径相差不大，易于掺杂进入ZnO晶格中，因此采用过渡金属离子掺杂改性是提高ZnO光催化性能的常用手段。

但目前已有公开报道的ZnO的掺杂方法生产出来的产品其掺杂元素的分布并不均匀，在ZnO晶格中与氧原子的键合并不牢固，因此掺杂对ZnO的带隙能、产生杂质能级和晶格缺陷的影响非常有限，因而催化剂的光量子效率和氧化还原能力受限，光催化活性的提高幅度有限。

发明内容

本发明针对现有ZnO掺杂方法存在的不足，提供一种Co掺杂的ZnO光催化剂的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种Co掺杂的ZnO光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将粒径为10～50nm的纳米氧化锌粉末加入到配制好的0.1～0.5mol/L的三价钴配合物的混合溶液中，控制所述纳米氧化锌粉末与三价钴配合物的质量之比为(2～5)：1，超声条件下搅拌混合均匀；

2)后边搅拌边向步骤1)所得混合物中滴加浓度为1～5wt％的无机碱溶液，控制体系pH为9～10，滴加完毕后将体系置于50～60℃的水浴振荡器中晶化反应12～24h,即在纳米氧化锌的表面原位生长出类水滑石结构；

3)将步骤2)所得产物离心分离，水洗至pH＝7～8,后置于烘箱中干燥，得催化剂前体；

4)将步骤3)所得的催化剂前体置于500～650℃环境下焙烧6～8小时，得Fe和Co掺杂的ZnO光催化剂。

进一步，步骤1)中所述三价钴配合物的结构式为：[Co(NH₃)₆]X₃，其中所述X为氯离子、溴离子、碘离子、硝酸根中的任意一种。

进一步，步骤2)中所述的碱溶液为氨水溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的任意一种。

进一步，步骤3)中干燥的温度为80～120℃。

本发明方法的过程原理介绍如下：