[发明专利]一种氮掺杂纳米ZnS/石墨烯光催化材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂纳米ZnS/石墨烯光催化材料的制备方法及应用，属于光催化降解有机污染物技术领域。本发明通过在氧化石墨烯表面原位生长ZIF‑8骨架后，在气化的硫粉氛围中高温煅烧进行金属硫化和有机骨架炭化，从而生成高分散的氮掺杂纳米ZnS/石墨烯复合材料。本发明所得复合材料在可见光照射下，对有机污染物罗丹明B的降解率可达97%，远优于单一纳米ZnS和采用传统水热复合并进行后续氨气热处理所得的氮掺杂ZnS/石墨烯光催化材料，具有极大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂纳米ZnS/石墨烯光催化材料的制备方法及应用，属于光催化降解有机污染物技术领域。

背景技术

随着环境污染问题越来越突出，探寻一种新型的、无污染的，且经济的解决环境污染的方法对社会可持续发展起到深远意义。光催化技术凭借其节能环保、高效降解环境污染物等优势越来越受到众多科研工作者和公司企业的青睐。光催化剂具有强氧化能力，其以太阳能作为有效光源激发光催化剂进行催化反应，在室温下即能迅速（数小时）将有机污染彻底矿化降解成CO₂、H₂O等无机物小分子。

在众多的半导体光催化剂中，纳米ZnS受光激发产生光生电子和空穴的速度很快，被激发的电子从导带跃迁到ZnS的价带上具有很强的还原能力，光生空穴的强氧化能力使其在光催化氧化污染物方面表现出优异的性能。然而，纳米光催化剂普遍存在粒子易团聚、光致电子-空穴对快速复合、宽的带隙等问题，导致了其催化效率较低，限制了其应用。因此，上述问题的解决是提高纳米ZnS半导体光催化剂催化活性的关键。

石墨烯作为材料新星，具有二维蜂窝状大的网格结构，因其优异的电子迁移率、较大的比表面积和较好的光透明度等，被广泛选作半导体的支撑材料。在石墨烯基半导体复合材料中，石墨烯作为良好的电子接受体和输运体，能够有效抑制光致电子-空穴对的再复合，同时可以缓解粒子团簇等催化问题，从而改善半导体催化剂的光催化性能。

N、S掺杂能有效的减小半导体光催化剂的带隙，提高半导体光催化剂的可见光光催化活性，被广泛用于改性一些具有紫外光响应的光催化剂。同时，氮原子因为具有和碳原子接近的尺寸，还容易嵌入到石墨烯晶格中实现掺杂。氮元素的掺入将会产生N-C键，其中毗邻N原子的C原子将会带有更多的正电荷，从而能有效增强石墨烯材料的电负性，这种电子吸附性的增强可为氧化还原反应创造更佳的催化条件。上述石墨烯复合、非金属掺杂的改性方式能够有效提升纳米ZnS的光催化性能，但其光催化效率仍然需进一步提升。

基于上述技术认知，本发明的发明人经过长期大量的研究，开发出了一种氮掺杂纳米ZnS/石墨烯光催化材料，该材料通过在氧化石墨烯表面原位生长ZIF-8骨架后，在气化的硫粉氛围中高温煅烧进行金属硫化和有机骨架炭化，从而生成高分散的纳米ZnS/石墨烯复合材料，且，ZIF-8中的咪唑氮亦掺入半导体和石墨烯中。本发明所获得的氮掺杂纳米ZnS/石墨烯光催化材料在可见光光催化降解有机污染物时具有优异的光催化效率，具有潜在的应用前景。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种氮掺杂纳米ZnS/石墨烯光催化材料的制备方法，具体的，包括以下步骤：

（1）将0.1-1g氧化石墨烯分散于10-100ml去离子水和乙醇的混合溶液中，超声分散10-60min，得到分散均匀的氧化石墨烯分散液；

（2）将适量可溶性锌盐溶于去离子水中，搅拌溶解得到0.1-0.5mol/L锌盐溶液；

（3）取适量2-甲基咪唑溶于去离子水中，搅拌溶解，得到0.5-2mol/L 2-甲基咪唑溶液；

（4）将上述步骤（1）、（2）、（3）所得溶液混合，所得混合液中锌盐与2-甲基咪唑的摩尔比为1:2-4，超声分散10-60min后，于30-60℃下磁力搅拌反应4-8h，将所得产物离心、去离子水和乙醇洗涤数次、干燥，得到ZIF-8@氧化石墨烯复合物；