[发明专利]一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括步骤：以石墨粉为原料，制备氧化石墨烯悬浮液；三聚氰胺海绵经预处理后，浸渍于氧化石墨烯悬浮液中，将氧化石墨烯复合海绵干燥后进行第一次煅烧，得到3DN‑rGO；将醋酸锌分散于乙醇中，形成混合液A，将3DN‑rGO浸泡于混合液A中，通过第二次煅烧形成ZnO晶种N‑rGO；将硝酸锌、尿素和六亚甲基四胺混合，形成混合液B，将ZnO晶种N‑rGO浸泡于混合液B中，进行水热反应，将反应产物漂洗后进行第三次煅烧，得到ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料。本发明制备的复合材料现出优异的光催化活性，同时具有很好的CO₂吸附性能，用于光催化还原二氧化碳催化效果好。

技术领域

本发明涉及半导体光催化还原二氧化碳技术领域，具体而言，涉及一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着化石燃料的大量消耗，能源危机和温室效应是21世纪地球上最关键的两个问题，寻找可再生的清洁能源对于保证人类社会的长远发展是十分迫切和必要的。其中，光催化还原二氧化碳是一种有效手段，它降低二氧化碳水平的同时，也生成CH₃OH和CH₄等燃料。然而，光催化还原CO₂的电子-空穴复合速率高、还原驱动力要求大、CO₂吸收能力低、光利用效率低等问题仍然极大地限制了其在实际中的应用。尤其是电子转移到CO₂以实现CO₂活化的过程还很难实现。

自从2004年发现石墨烯GF(Graphene)以来，这种二维(2D)sp²杂化材料因其特殊的物理化学性质在光催化应用中得到了广泛的应用，特别是含有大孔和互连网络的三维(3D)石墨烯骨架的成功制备进一步激发了这一领域的研究兴趣。3D石墨烯骨架的互联结构不仅保持了2D石墨烯纳米颗粒的优良固有性质，也使在这种3D结构中耦合半导体纳米颗粒成为可能。

在石墨烯晶格中引入外来原子会导致石墨烯上的电子自旋密度和电荷重新分布的扭曲，从而在石墨烯表面形成一个独特的“活化区”，可以作为光催化反应的活性中心。而在各种掺杂剂中，因为氮是碳的近邻元素，易于掺杂，所以氮掺杂石墨烯得到了广泛的关注，另外，掺杂的氮还可以作为吸附CO₂分子的碱性中心，改善二氧化碳的吸收性能。因此，氮掺杂的三维石墨烯骨架有望成为一种理想的助催化剂和载体，与半导体光催化剂偶联，以增强CO₂的吸附和光催化性能。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法，以解决现有光催化还原二氧化碳效率不高的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:

一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、以石墨粉为原料，制备氧化石墨烯悬浮液；

S2、三聚氰胺海绵经预处理后，浸渍于所述氧化石墨烯悬浮液中，得到氧化石墨烯复合海绵，将所述氧化石墨烯复合海绵干燥后进行第一次煅烧，去除聚合物模板，得到三维的氮掺杂还原氧化石墨烯3DN-rGO；

S3、将醋酸锌分散于乙醇中，形成混合液A，将3DN-rGO浸泡于混合液A中，通过第二次煅烧形成ZnO晶种N-rGO；

S4、将硝酸锌、尿素和六亚甲基四胺混合，形成混合液B，将所述ZnO晶种N-rGO浸泡于混合液B中，搅拌均匀后进行水热反应，将反应产物漂洗后进行第三次煅烧，后处理即得到ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料。

在上述技术方案中，可选地，S1中，所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为2.3g/L。