[发明专利]ZnO-TiO2复合光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种水热合成法制备ZnO-TiO₂复合光催化剂的方法。

背景技术

在过去的几年，由于宽禁带半导体可以在很多领域得到应用，例如光催化、生物医学、发冷光效应、单电子晶体三极管、太阳能电池以及光电学，因此引起了人们的广泛研究。尽管这种纳米半导体具有催化性能以及超速非线性压电等性能，但是它的表面态特别容易捕获电子和空穴从而引起这些载流子的非辐射复合，从而减低了它本身的催化性能。为了克服这个缺陷，最近几年，异质结构纳米材料由于具有大的量子产率并且它的光致发光容易增长等优点，引起人们研究它们的热烈兴趣，例如核壳结构纳米粒子或复合纳米粒子等，这些抑制结构已经被用于生物传感器、造影剂以及药物传送协助材料等。在众多的半导体材料中，二氧化钛由于具有多功能的性能，例如光催化，自洁、低价、容易制备、低毒等，被人们广泛的应用于环境去污以及太阳能转化装置中。但二氧化钛同时也由于自身的禁带宽度宽，难以吸收紫外光等缺陷而限制了它的使用。因此人们研发了异质结构半导体来提高氧化钛的性能，例如TiO2/ SiO2、TiO2/ZrO2、TiO2/SnO₂、TiO2/Cu₂O、TiO2/MgO、 TiO2/WO₃、TiO2/ZnO等。到目前为止，氧化锌被认为是最合适和氧化钛复合并提高其性能的物质之一。这是因为氧化锌和氧化钛有相似的禁带宽度，这样便可以延长光生载流子的复合时间从而有限的抑制了电子和空穴的复合，提高了催化活性，因此，通过氧化锌的复合，氧化钛的催化活性可以得到大幅提高。

非晶纳米复合材料由于其新奇的结构和电子特性在多相催化以及其他领域都得到了重要的应用。对于氧化锌来说，和其晶体结构相比，非晶状态的氧化锌可能存在很多晶格缺陷从而对协调其电子结构和原子排布方面起到重要的作用。根据这一特点，当非晶氧化锌和氧化钛结合时，这种特殊结构可能会有效的提高催化活性。到目前为止，很多人研究了大量的氧化锌氧化钛核壳结构，然而，用非晶的氧化锌和氧化钛复合来提高氧化钛的催化活性的方法目前还没有人报道过。这种非晶氧化锌和氧化钛复合的纳米粒子由于由不同的晶体态组成，研究它们之间的复合所产生的催化活性的变化将十分的有意义。

发明内容

本发明的目的是采用简单灵巧的方法合成非晶氧化锌和氧化钛复合的纳米粒子，进而提供一种ZnO-TiO₂复合光催化剂的制备方法。

本发明采用水热合成法制备ZnO-TiO₂复合光催化剂，具体步骤如下：

量取钛盐于无水乙醇中并搅拌，钛盐和无水乙醇的体积比为1:1～4；按照Zn:Ti摩尔比为1:1～10称量锌盐于烧杯，用去离子水溶解；待搅拌至溶解完全滴加氨水至溶液刚好由浑浊至澄清，调节pH范围在4～14之间；将此混合溶液缓慢滴加到钛盐与无水乙醇的混合溶液中；继续搅拌2～6个小时后，将所得溶液转移到高压釜中恒温100～220℃加热6～12小时；自然冷却，将所得产物离心分离，清洗、烘干、研磨得锌钛复合光催化剂粉末。

本发明采用简单灵巧的方法合成非晶氧化锌和氧化钛复合的纳米粒子，对比晶体氧化锌和氧化钛复合粒子，氧化锌在非晶态对这种复合结构催化活性的提高发挥了直接且有力的作用，本发明得到的这种纳米复合粒子在降解甲基蓝的污染物上的活性要远远高于它的晶体态及商用P25。

采用水热合成法制备ZnO-TiO₂复合光催化剂，通过XPS、XRD、SEM表征我们可以确定复合光催化剂表面确实有ZnO的附着，形成Ti-O-Zn键，但只有当锌钛比例适当时候才会形成Ti-O-Zn键，并且形成的催化剂确实对降解亚甲基蓝有一定的效果，当锌钛按1:3掺杂时得出的纳米催化剂材料具有最高的光催化活性。而只有在中性和偏碱性的条件下Zn:Ti按1:3复合，ZnO才能附着在TiO₂上，在pH=10时形成的ZnO-TiO₂复合光催化剂具有最高的光催化活性，我们认为，样品中非晶状ZnO与锐钛矿TiO₂的复合结构，实现了载流子的有效分离，从而扩展光谱响应的范围，提高了量子效应和光催化效率。

附图说明

图1为pH=10、Zn:Ti=1:3样品TiO₂表面O1s的XPS谱。

图2为pH=10、Zn:Ti=1:3样品TiO₂表面Ti2p的XPS谱。

图3为pH=10、Zn:Ti=1:3样品ZnO表面Zn2p的XPS谱。