[发明专利]一种ZnO-BaTaO2N复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机环保光催化材料技术领域，具体涉及一种ZnO-BaTaO₂N复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

由于量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应等，纳米氧化锌材料在力、光、电、磁、敏感性等许多领域有重要的应用价值，特别是在半导体光敏理论方面作为高效光催化剂这一具有挑战性领域，近年来得到了人们广泛的重视和研究。半导体材料可通过光照实现光能到化学能的转化，因此在降解水中的有机物、无机物脱毒，脱除氮氧化合物净化空气等方面，半导体光催化技术都取得了巨大的经济、环保和社会效益，并且越来越被人们所重视。

但ZnO禁带宽度为3.2 eV，只有在波长小于387 nm的紫外线下才能激发其催化活性。在到达地面的太阳能中，这一波段的能量尚不足5%，而可见光部分的比例却占到太阳能的45%左右。此外，ZnO光催化剂在光催化过程中光生电子和空穴容易复合，催化效率低。因此，如何拓宽ZnO光催化剂光谱响应范围、提高其光量子效率成为光催化科研究的重点和难点。

BaTaO₂N是一种过渡金属氧氮化物，由于二价氧元素部分被电负性较小的三价氮元素取代，金属阳离子或多或少被还原，晶体结构发生变化，BaTaO₂N因而表现出新的光、电、磁, 力学性能。研究表明，BaTaO₂N的禁带宽度为2.0 eV，能吸收波长小于620 nm的可见光，是一种具有可见光响应能力的光催化材料。为了拓宽ZnO的光谱响范围，将其与具有理想带隙的BaTaO₂N相复合，利用两种半导体之间的能级差能使光生截流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，使电荷有效分离，是提高ZnO太阳能利用率和光量子效率的有效途径。ZnO光催化剂的导带电势E_CB=-0.31 eV，价带电势E_VB=2.89 eV，而BaTaO₂N光催化剂的导带电势E_CB=-0.44 eV，价带电势E_VB=1.56 eV。在ZnO/CaTaO₂N复合半导体中，BaTaO₂N的导带电势更负，光生电子容易从能级低的BaTaO₂N导带迁移到能级高的ZnO导带上，同时，ZnO的价带电势更正，光生空穴容易从能级高的ZnO价带迁移到能级低的BaTaO₂N价带上，从而提高光生电荷的分离效率，扩展了ZnO的光谱响应范围。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种太阳能利用率高、光催化活性好的ZnO-BaTaO₂N复合光催化剂。

本发明解决的另一个技术问题是提供了一种操作简单且易于控制的ZnO-BaTaO₂N复合光催化剂的制备方法。

本发明的技术方案为：一种ZnO-BaTaO₂N复合光催化剂，其特征在于是由ZnO与BaTaO₂N粉体复合而形成的ZnO-BaTaO₂N复合光催化剂，其中ZnO与BaTaO₂N的摩尔比为5-15:1。

本发明所述的ZnO-BaTaO₂N复合光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将五氧化二钽、碳酸钡和丙酮按摩尔比1:2:15的比例加入到玛瑙研钵中研磨均匀，然后将样品均匀平铺在刚玉舟上，装入管式气氛炉中，在氨气气氛下950℃煅烧20小时得BaTaO₂N粉体；（2）配制氯化锌溶液，在搅拌的条件下向氯化锌溶液中加入柠檬酸溶液形成透明混合溶液A，混合溶液A中柠檬酸与氯化锌的摩尔比为1.5:1；（3）在搅拌条件下将步骤（1）所得BaTaO₂N粉体加入到混合溶液A得混合溶液B，混合溶液B中氯化锌与BaTaO₂N粉体的摩尔比为5-15:1，然后将混合溶液B在60℃的水浴中保持24小时得湿凝胶，湿凝胶经110℃干燥得干凝胶；（4）将步骤（3）所得干凝胶转移到马弗炉中在400-500℃保持2小时后得到具有高催化活性的ZnO-BaTaO₂N复合光催化剂。