[发明专利]一种具有氧化锌/二氧化钛异质结构的光催化涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有ZnO/TiO₂异质结构的光催化涂层及其制备方法，该光催化涂层包括由直径为10～50nm的纳米ZnO晶粒堆积而成的ZnO堆簇，以及嵌入所述ZnO堆簇中的纳米TiO₂颗粒；所述ZnO堆簇呈团状结构，具有疏松多孔结构，直径为3～30μm。本发明采用热喷涂工艺，一步制备得到该光催化涂层，产物形貌及微观尺寸可控。本发明公开的光催化涂层，与基体的结合力强，且具有更大的光谱吸收范围，显著提高了光催化降解有机染料等污染物的效率。

技术领域

本发明涉及光催化材料的技术领域，具体涉及一种具有氧化锌/二氧化钛异质结构的光催化涂层及其制备方法和应用。

背景技术

尽管地球表面上覆盖着近70％的水，但其中淡水资源仅占2.8％，除去当中存储在极地冰川等难以利用的75％，人类可利用淡水量尚不足地球总水量的1％，而这些珍贵的水资源长久以来一直受污染和浪费的威胁，很多饮用水净化技术和污水处理技术相继被开发出来。在诸种净化方法中，光催化技术作为一种可以利用太阳能驱动催化反应，具有高效、低能耗、适用范围广且具有深度氧化能力的方法，具有重要的应用前景。

其中，二氧化钛(TiO₂)是应用最为广泛的宽禁带半导体，具有无毒、催化活性高、氧化能力强、廉价易得等优点，但二氧化钛带隙相对较宽 (Eg＝3.2eV)只响应于紫外波长的光线照射，且产生的电子-空穴对容易复合，影响其催化活性，限制了它的实际应用。

氧化锌(ZnO)是一种带隙接近二氧化钛的直接半导体材料(3.37eV)，具有较高的激子结合能，常用做光电催化材料。ZnO具有与TiO₂类似的能带结构和物理性能，但同时也具有一些二氧化钛所没有的特性，如较高的量子产率和较高的电子迁移率，这十分有利于提高其光催化活性。ZnO 和TiO₂之间的能级相近，如果在界面区域存在量子尺寸的接触，可形成纳米肖特基结，能有效增大光生载流子的分离效率，抑制光生载流子的复合，并提高了光催化材料的稳定性，其耦合和协同作用可拓展光谱吸收范围，从而增加对可见光的利用率。

王暖霞等(王暖霞，孙承华，胡秀杰，陈萍，周树云，两步法合成 ZnO/TiO₂异质结构，材料工程，2008年10期。)采用电纺和水热两步法制备了ZnO/TiO₂异质结构，首先用电纺法制备了TiO₂薄膜纤维，然后用水热法在TiO₂薄膜纤维上生长ZnO结构。该制备方法需要多步工序，工艺复杂，且对设备要求高，不宜大规模成膜。

堵国君等(堵国君，王彦敏，胡培广，刘宏，刘铎，王继扬，ZnO@TiO₂纳米带表面异质结构的制备及表征，稀有金属，2009年12月)采用水热法和后续热处理法制备二氧化钛纳米带，然后通过液相合成法在纳米带表面组装了氧化锌纳米结构，制备了ZnO@TiO₂纳米带表面异质结构。经表征，所得产物是TiO₂纳米带表面组装了ZnO纳米花，TiO₂纳米带的宽度为50～200nm，长度达到几十微米，而ZnO纳米花长为500nm的骨苞上长有200nm左右的花瓣。该制备方法虽然得到了自组装的TiO₂-ZnO纳米结构，但只适合小范围制备，而且反应条件可控性较差。

因此，要实现具有ZnO/TiO₂异质结构的光催化涂层的大规模生产应用，亟待开发一种光催化性能更加优异、具有新型结构的光催化涂层，以及具有低成本、成膜质量高、大规模、适合工业化生产的涂层制备技术。

发明内容

本发明公开了一种新型结构的具有ZnO/TiO₂异质结构的光催化涂层，与基体的结合力强，且具有更大的光谱吸收范围，显著提高了光催化降解有机染料等污染物的效率。本发明还公开了该光催化涂层的制备工艺，采用热喷涂工艺，一步制备得到该光催化涂层，产物形貌及微观尺寸可控。

具体技术方案如下：