[发明专利]石墨相氮化碳改性的铝镓共掺杂氧化锌复合材料及其应用

说明书

本发明属于材料制备及光催化技术领域，涉及一种石墨相氮化碳改性的铝镓共掺杂氧化锌复合光催化剂材料的制备和应用。制备工艺：先分别煅烧合成材料的前驱体得到铝镓共掺杂氧化锌纳米粉体和石墨相氮化碳，再通过单相分散法将两者合成石墨相氮化碳改性的铝镓共掺杂氧化锌复合光催化剂材料。该催化剂在光催化降解废水中的有机染料，如亚甲基蓝表现出高效的降解活性。

技术领域

本发明属于基于纳米结构氧化锌的掺杂以及复合改性的材料制备技术及催化应用领域，具体涉及一种以单相分散法制备铝镓共掺杂氧化锌纳米粉体复合石墨相氮化碳改性的Z型光催化剂材料以及该材料在光催化降解废水中的有机染料方面的应用。

背景技术

根据2015年世界卫生组织的报告，因水体污染导致的疾病每年都夺去了将近一百万人的生命，这无疑已经对人类周遭的生态环境和日常生活造成了极其恶劣地影响。人们目前为应对水污染问题所采取的措施主要还是以生物治理、物理治理、化学治理等为主。1、生物治理是通过利用生物自身独有的新陈代谢活动，通过吸收、积累、分解和转化污染物等一系列的方式，实现净污解毒的目的，但该法处理周期一般偏长（参见Water Research,2020,170:115316）。2、物理治理一般指的是用物理吸附剂，吸附剂材料的分子链上多具有可黏附污染物的亲污性基团，内部分子缠结交联的特殊结构能吸纳和储存液态中的有机大分子。活性炭是一种常用的吸附剂，它具备去污多样性、效率快、可重复使用的特点，但高昂的成本使其无法被大面积的使用（参见Journal of Water Process Engineering, 2020,33:101040）。3、化学治理是通过在污染水域加入化学制品，然后改变水中污染物本身的理化性质，或是与污染物反应生成不溶或难溶于水的物质并沉淀，以达到目标污染物无害化和净化废水的作用。该法虽去污能力强，但是只能处理特定污染物，并有发生二次污染的风险性（参见Industrial Crops Products, 2019, 141:111726）。因此，全球所面临的环境危机的严重性以及人类现有的应对技术的局限性导致迫切需要开发出一种环保无害、省时高效的新型水质复原技术。

半导体光催化技术作为一项具有绿色环保、矿化效率高等优点的水体修复新技术，极其有望成为一种能解决当前严峻的水污染问题的新途径。太阳光照射光催化剂，光催化剂产生羟基、超氧自由基等具有高氧化还原能力的活性因子，这些高活性因子进而与体表的吸附污染物反应，生成的是CO₂和H₂O等零污染排放物。在众多氧化物半导体中，氧化锌半导体光催化技术以其成本低廉、无毒无害、修复温和以及无二次污染物产生的特点，已经引起了人们广泛地关注。然而，宽禁带隙（3.37 eV）的氧化锌只能吸收紫外光（仅占太阳光3%），光生电子空穴对易复合，载流子迁移效率低下，因此光催化效果并不佳。通过金属元素掺杂，可以在价带（VB）和导带（CB）之间建立中间能级，从而减小禁带宽度，实现对可见光波段的响应。

为了进一步拓宽氧化锌光谱响应范围，延长光生载流子寿命，人们还发现半导体复合是另外一种行之有效的方法。只要半导体之间具有相匹配的能级，那么复合不等带隙的半导体就可以构建异质结结构，形成异质结结构之后的复合材料不仅可以抑制半导体体内受激发所产生的电子-空穴对的复合，还能提高对可见光的响应性，使多元复合材料具备多种半导体各自都不能达到的优良的光电性能。石墨相氮化碳作为一种π-π共轭半导体材料，其带隙仅为2.7 eV，具有良好的可见光响应性。此外，独特的结构可以缩短光生载流子的传输距离，较大表面积可以负载更多的活性位点。

因此，为了拓宽氧化锌的可见光响应范围，提高氧化锌光生电子-空穴对的分离率，在金属元素铝镓共掺杂改性氧化锌的基础上，再继续复合石墨相氮化碳改性，以制备出绿色、环保、稳定、高效的光催化剂材料。

发明内容