[发明专利]光电催化剂多层氧化锌纳米线阵列的制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种氧化锌纳米线阵列的制备方法，特别是一种光电催化剂多层氧化锌纳米线阵列的制备方法。

背景技术

随着全球性环境污染问题日益严重和纳米制备技术的高速发展，纳米材料的光催化降解有机污染物的研究成为材料科学、催化科学以及环境科学等研究领域的热点之一。ZnO是一种新型宽带隙Ⅱ-Ⅳ族半导体材料, 带隙能为3.37 eV，具有价格低廉、无毒、稳定等优点，同时在光催化过程中光生电子和空穴复合程度较小, 可在紫外光激发条件下发生光催化反应而催化降解有毒有机污染物，因此被认为是极具应用前景的高活性光催化剂之一。

虽然关于溶液分散的ZnO纳米结构的光催化降解有机污染物的研究很多，但是纳米颗粒光催化剂难以回收，因此催化剂重复利用率较低。基于衬底生长的ZnO纳米线阵列，可以解决催化剂回收难的问题。2007年，台湾清华大学Huang课题组将硅基ZnO纳米线阵列进行光催化降解有机污染物的研究，虽然基于硅衬底生长的ZnO纳米线阵列解决了催化剂回收难、重复利用率低的困难，但是此种方法的降解率较低，降解率达到90%以上需要5小时。而其中纳米线阵列的长度是影响催化性能的重要因素。因此，在硅衬底上制备超长的ZnO纳米线阵列，并将其应用于催化降解有机污染物的研究具有重要的意义。

1972年Fujishima和Honda发现在TiO₂电极上光催化分解水的现象，标志着多相光电催化研究新时代的到来。在光电催化降解过程中，在外加电压的作用下，光生电子和空穴能够有效的分离，降解效率得到了明显提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有光电催化特性的多层氧化锌纳米线阵列制备方法，该方法采用化学气相沉积与液相生长相结合并重复生长制备多层ZnO纳米线阵列的方法。

为达到上述目的，本发明采用下述的技术方案：

一种光电催化剂多层氧化锌纳米线阵列的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a)        将单面抛光的100硅片进行预处理； 

b)        将二水合乙酸锌溶于乙醇中配制成浓度为0.01-0.02M的溶液，然后旋涂在步骤a所得硅片上15-20次，烘干；

c)        将石墨粉和氧化锌按1:1的的质量比研磨，使其充分混合后，采用化学气相沉积法，在步骤b所得沉积上氧化锌，工艺参数为：以35-70 sccm的流速通入氩气和1-2 sccm流速通入氧气，保持真空度恒为400 mbar，在900-950℃温度下，保温30分钟，待温度降至室温后取出样品； 

d)        将六水合硝酸锌和六亚甲基四胺溶于去离子水中配制成浓度分别为0.02-0.025 M和0.02-0.025 M的混合溶液，搅拌至完全溶解。将步骤c)所得样品悬浮于上述混合溶液中，90 ℃反应1-2小时，反应结束后，将样品用去离子水、乙醇清洗后烘干；

e)        重复步骤c) 和步骤d)一至四次，最终得到一层、两层、三层和四层的氧化锌纳米线阵列光电催化剂。

步骤a所述的预处理的具体方法为：将单面抛光的100硅片放入乙醇、丙酮溶液中超声，除去硅片表面有机物，然后放入浓硫酸、双氧水混合溶液中加热，去除硅表面的氧化物、金属杂质等。将处理后的硅片放入超纯水中超声，去除表面残留酸液。

本发明首次采用化学气相沉积与液相生长相结合多次生长的方法制备了长度高达160 μm的超长ZnO纳米线阵列。同时，我们首次将硅基ZnO纳米线阵列应用于光电催化降解有机染料的研究。

在前期工作中，我们采用旋涂晶种法诱导ZnO纳米线阵列多次生长，该方法对旋涂条件要求比较严格。为了克服旋涂晶种在多次生长过程中的不足，我们设计在一次化学气相沉积制备得到纳米线阵列后进行液相生长，液相生长的部分作为二次气相生长的诱导层，以此来替代旋涂晶种层，促进ZnO纳米线阵列的气相再次生长和多次生长。用化学气相沉积与液相生长相结合多次生长的方法制备的四层ZnO纳米线阵列的长度达到了160 μm，此制备方法的可重复性强。  

该方法可重复性好,不需要催化剂且垂直性良好，所制备的纳米线的长度达到160um。

本发明制备得到的多层超长ZnO纳米线阵列，纯度高，无金属催化剂存在，纳米线垂直性好，气相生长部分与液相生长部分始终沿着[0001]方向生长；该方法的实验操作的重复性高，可以制备更多层数的ZnO纳米线阵列，从而大幅度增加ZnO纳米线阵列的长度。

附图说明