[发明专利]一种三明治结构的包覆氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三明治结构的氮掺杂氧化锌包覆氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：(1)先将氧化石墨烯分散液与苯胺混合，然后加入少量过硫酸铵水溶液，搅拌，再在搅拌的条件下继续加入二水醋酸锌水溶液，得混合溶液；(2)将所述混合溶液进行水热反应得中间产物；(3)将所述中间产物过滤烘干后，在氮气保护下进行煅烧处理得最终产物。本发明采用上述结构的一种三明治结构的氮掺杂氧化锌包覆氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用，制备方法简单、成本低，具有可见光响应能力，能提供丰富的活性反应点，并有效地实现光生电子的传输，是一种高性能的光催化材料，具有优异的催化活性，可用于光催化领域的催化材料。

技术领域

本发明涉及催化材料技术领域，特别是涉及一种三明治结构的氮掺杂氧化锌包覆氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

氧化锌作为一种典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，室温下具有直接的宽的带隙(3.37eV)和高效的催化活性、良好的化学稳定性、卓越的氧化能力、制备方法简单、形貌多样化、无毒、价格低廉等优点受到人们的广泛关注。氧化锌导带电位(-0.5V vs.NHE)比氧的氧化还原电位(-0.33vs.NHE)要负，因此超氧化物歧化电子可以产生负离子自由基；价带电位(2.7V vs.NHE)比水的氧化还原电位(2.53V vs.NHE)高，使水分子可被空穴氧化形成羟基自由基。而这些反应自由基的参与，将有效地提高对有机污染物的光催化反应。研究表明，氧化锌光催化材料被广泛地应用在大量的有机污染物的降解中，这些有机物包括水，空气和土壤中的苯、二甲苯、苯酚、甲醛等有机污染物，因此在环境保护等领域中具有很大的商业价值和应用前景。然而，氧化锌带隙比较宽，仅能够吸收太阳光谱中的紫外光部分，而紫外光仅占太阳光谱的3％，太阳能利用率低。而且，氧化锌的光生电子-空穴复合几率仍然很高，量子效率最高仅为20％，光催化活性较低。

石墨烯具有高的比表面积和良好的导电性，在光催化领域中石墨烯能够有效地负载催化颗粒和促进光生电子的传输，减少光生电子-空穴的复合，目前石墨烯基光催化材料得到了广泛的研究。然而由于范德华力的作用，石墨烯的团聚严重现象影响催化性能的发挥。因此开发一种新型的氧化锌/石墨烯复合材料并用于光催化领域具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种三明治结构的氮掺杂氧化锌包覆氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用，制备方法简单、成本低，光催化效率高，具有可见光响应能力，能提供丰富的活性反应点，并有效地实现光生电子的传输，是一种高性能的光催化材料。

为实现上述目的，本发明提供了一种三明治结构的氮掺杂氧化锌包覆氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：(1)先将氧化石墨烯分散液与苯胺混合，然后加入少量过硫酸铵水溶液，搅拌，再在搅拌的条件下继续加入二水醋酸锌水溶液，得混合溶液；氧化石墨烯表面含有丰富的基团，在水溶液中能够分散均匀，加入苯胺后由于氧化石墨烯和苯胺的π-π作用，苯胺吸附在氧化石墨烯表面，加入过硫酸铵后生成苯胺低聚物，苯胺低聚物能够有效地隔离氧化石墨烯，阻止氧化石墨烯的团聚，加入二水合醋酸锌后，苯胺低聚物络合锌离子，保证了纳米氧化锌的均匀分布；苯胺低聚物作为氮源通过化学键合掺杂在氧化石墨烯和氧化锌之中；氮原子掺杂氧化锌能改变氧化锌的禁带宽度，将氧化锌的光响应范围扩展到可见光区域，另外氮掺杂的石墨烯能够提高电子的传输效果；该材料能有效实现催化反应过程中的电子传输，可以获得高的光催化效率；

(2)将所述混合溶液进行水热反应得中间产物；通过水热反应，进一步将吸附在苯胺低聚物表面的醋酸锌热解为氧化锌，达到密集均匀分布纳米氧化锌的作用；

(3)将所述中间产物过滤烘干后，在氮气保护下进行煅烧处理得最终产物，所述最终产物为三明治结构的氮掺杂氧化锌包覆氮掺杂石墨烯复合材料；通过高温煅烧进一步改变氧化锌的晶型和热还原氧化石墨烯为石墨烯。

优选的，步骤(1)中，所述石墨烯分散液的浓度为1～4mg/mL。