[发明专利]碳包覆金属掺杂氧化锌复合光催化纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化纳米材料、环境保护领域，特别是一种利用低温溶剂热法制备具有可见光催化活性的碳包覆金属掺杂氧化锌核壳结构纳米棒状复合光催化材料的简易方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)作为半导体光催化剂，因其禁带宽度达到3.2eV，吸收波长阀值大都在小于387nm的紫外光区，太阳光利用效率低。同时，载流子复合率高、量子效率低等缺点也限制了它的实际使用，使其催化效率还没有达到工业应用水平。

通过合成四针状晶须、纳米棒自组装等形貌调控、纳米ZnO修饰多壁碳纳米管(MCNTs)、ZnO/TiO₂复合以增强ZnO光学活性的研究都见诸于报道。利用低温溶剂热法制备金属离子(如Co、Ni、Mn、Fe)掺杂ZnO继而在其表面沉积碳层来改变氧化锌内部电子空穴迁移路径，提高光生电子-空穴分离效率，增强其对可见光吸收能力和对染料分子吸附能力，提高产品催化活性的相关报道不多，而且关于形貌结构、粒度分布、掺杂比例以及碳层厚度对氧化锌光催化活性的影响及相关作用机理的研究并不系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有可见光催化活性的新颖的碳包覆金属掺杂氧化锌纳米光催化材料及其制备方法，以克服氧化锌自身存在的使用缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供的光催化纳米材料是一种碳包覆金属掺杂氧化锌复合光催化纳米材料，具有可见光催化活性和具有纳米棒状核壳结构的形貌，碳层包覆厚度为7–12.5nm。

所述碳包覆金属掺杂氧化锌复合光催化纳米材料，其纳米棒长度为200-500nm，宽度为30-70nm。

本发明提供的上述碳包覆金属掺杂氧化锌复合光催化纳米材料，其制备方法包括以下的步骤：

(1)前驱体溶液的制备：

将锌盐、掺杂金属盐溶解于20mL醇溶剂中，其中金属离子总摩尔量为5mmol，金属离子掺杂浓度为1-5mol％，随后加入10-50mmol的氢氧化钠，搅拌得到前驱体溶液；；

(2)将前驱体溶液置于高压反应釜中，密封，120–160℃反应2–12h；

(3)反应后冷却至室温，产物用无水乙醇反复洗涤，60℃干燥2–6h，得到金属离子掺杂氧化锌Zn_1-xM_xO棒状光催化纳米材料，x＝0.01-0.05。该金属离子掺杂氧化锌Zn_1-xM_xO棒状光催化纳米材料的纳米棒长200-500nm，宽20-60nm。

(4)将上述Zn_1-xM_xO纳米棒超声分散于水中，在搅拌条件下加入葡萄糖的乙醇溶液，溶液总体积保持32mL，其中Zn_1-xM_xO与葡萄糖的质量比为1:2–3:2，水与乙醇的体积比为3:1-1:1。置于高压反应釜中180℃下反应6-15h；

(5)将固体产物离心分离，并用乙醇洗涤，空气中干燥得到一种具有可见光催化活性的碳包覆Zn_1-xM_xO棒状核壳结构纳米材料。所述的锌盐为硝酸锌或乙酸锌。

所述的掺杂金属盐为乙酸镍或乙酸钴。

所述用于溶解锌盐、掺杂金属盐的醇溶剂为甲醇或乙醇。

本发明制备的材料，其在可见光催化降解罗丹明B或甲基橙等有机染料水溶液中的应用。

本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：

本发明首先利用溶剂热法工艺，通过改变溶剂体系比例关系、反应物离子浓度、反应温度和反应时间，制得具有棒状结构的金属掺杂氧化锌纳米材料，应用于可见光催化降解染料废水，独特的组分、结构特点可提高单一组分ZnO可见光催化活性，在光催化降解罗丹明B的实验中，经过可见光的光线照射100min，棒状结构Zn_1-xM_xO催化剂存在下，罗丹明B降解率可达到97.0％。