[发明专利]一种La表面改性的ZnO纳米片组装的三维结构的合成方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其是涉及一种La表面改性的ZnO纳米片组装的三维结构的合成方法。

背景技术

功能材料的技术发展，促使材料化学领域的研究向设计形貌与组分可控合成的纳米材料方向发展。其中，结构在化学与材料科学领域中处于中心地位。特别地，制备有精确尺寸、形状和维度的无机纳米结构材料已经迅速提升了我们对于材料性能依赖于材料结构与尺寸的理解。在不同形貌的纳米结构中，纳米片由于其较薄的厚度、较高的比表面积等独特的结构因素，不仅可以组装多样性的结构、而且有利于表面型电荷迁移，引起了人们极大的研究兴趣。但是需要指出的是，二维纳米片材料在生长过程中往往容易团聚而导致活性表面积减少。为此，近年来可以有效避免粒子团聚的、大尺寸的三维纳米结构越来越倍受关注。当然，以二维纳米片组装的三维无机微／纳米结构，可能有效地提升或产生新的光电性能。

形貌丰富的ZnO纳米材料，因其成本低廉、环境友好，光电、催化和光化学性质优良，已经成为一种很有潜力的半导体光催化材料。而光催化过程中，产生的光生电子-空穴对的快速复合、响应光波长范围窄等因素限制了ZnO纳米催化材料的广泛应用，人们为提升ZnO光催化剂的光催化效率付出巨大的努力。一些研究者将ZnO基光催化剂与其他成分结合起来，如金属离子、阴离子掺杂，表面修饰等等。在这些方法中，掺杂元素对于拓宽ZnO基催化剂的光吸收范围有一定影响。掺杂产生的结构缺陷成为激子缔合中心、增加了载流子复合的几率，会产生不稳定、光腐蚀、晶格畸变、溶解与重复性差等方面的问题。另一些研究者将不同纳米结构半导体光催化剂与金属、半导体或者碳材料结合形成异质纳米结构，在异质结构材料中，电荷分离效率高、载流子迁移迅速，光波吸收响应范围宽。相信ZnO基纳米异质结构能够显著改善光生载流子的复合效率、拓展光响应范围、提高光催化活性。

稀土掺杂可以有效改善纳米光催化剂的性能，在降解有机污染物方面应用较多。在稀土矿物资源中，La相对丰富和便宜，La的化合物La₂O₃、La(OH)₃、La₂O₂CO₃研究广泛。已经通过多种方法制备了不同结构与维度的La改性的ZnO纳米结构光催化剂。例如，Khatamian等人采用聚合物热解法制备了不同含量La、Nd和Sm掺杂的ZnO纳米粒子，研究了对硝基苯酚过程中La掺杂ZnO的光催化性能。Zheng等人用静电纺丝聚丙烯腈／硝酸镧／乙酸锌复合纳米纤维与烧结相结合的方法，成功合成了具有核壳结构的La掺杂ZnO／C纳米纤维，研究了它们的光催化性能。Jian等人通过水热和脉冲激光沉积法，制备出光催化性能优异的ZnO／(La，Sr)CoO₃核壳复合纳米棒阵列。这些方法涉及昂贵的设备、严格的实验环境，或者复杂的实验过程，限制了La改性ZnO光催化剂的应用推广。迄今还没有关于La表面改性ZnO纳米片组装的三维结构用于光催化降解染料的报道。实际上，所制得的La表面改性ZnO纳米片组装的三维结构光催化剂因其独特的形貌、结构及表面化学组成，展现出显著的光催化性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种La表面改性的ZnO纳米片组装的三维结构的合成方法。该方法利用水溶液中合成ZnO，通过浸渍法在ZnO表面包覆La离子，获得一种La表面修饰的、尺寸大、具有较高化学稳定性和光催化性能的ZnO纳米片组装的三维结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种La表面改性的ZnO纳米片组装的三维结构的合成方法，该方法包括以下步骤：

(1)冰浴、磁力搅拌条件下，在硝酸锌溶液中加入氢氧化钠、表面活性剂和蒸馏水，得到混合液，将混合液于室温下继续搅拌，静置得到前驱体溶液；

(2)前驱体溶液进行水浴反应，得到白色沉淀ZnO，并用蒸馏水、乙醇洗涤后，干燥备用；

(3)将步骤(2)得到的ZnO与硝酸镧溶液混合，搅拌并超声处理后，过滤，并干燥沉淀，得到负载有La的ZnO；

(4)焙烧步骤(3)得到的负载有La的ZnO，冷却至室温后得到La表面改性的ZnO纳米片组装的三维结构。

步骤(1)所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠溶液。加入表面活性剂的作用为影响ZnO晶体的晶面生长速度。