[发明专利]一种多孔碳改性的ZnO光催化材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种多孔碳改性的ZnO光催化材料及其制备方法。多孔碳改性的ZnO光催化材料由氧化锌纳米颗粒和无定型的多孔纳米碳组成，无定型的多孔纳米碳主要包覆在氧化锌纳米颗粒表面或掺杂在氧化锌纳米颗粒之间的间隙中。该制备方法具有制备工艺简单，反应条件温和，易于控制等特点。所得材料兼具高比表面积、高CO₂吸附能力、可见光响应和电荷转移能力，有效解决了单一氧化锌光催化剂比表面积小、光生电子空穴对复合率高，光催化效率低的缺点，同时大大提高了太阳能的利用效率，在光催化、电化学、能源、及环境等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳改性的ZnO光催化材料及其制备方法，属于材料制备和能源环境领域。

背景技术

随着化石燃料的短缺和二氧化碳排放量的不断增加，我们急需寻找新的清洁能源，尤其是探寻高效地将CO₂转换成新清洁能源的方法。许多光催化剂，诸如TiO₂，ZnO，CdS，ZnGa₂O₄，g-C₃N₄等半导体已经被应用于研究光催化还原CO₂领域。在过去的30年的研究中，ZnO因其优良的结构特性和特殊的光电化学性能，作为一种光催化剂，已经被研究者们广泛地研究。更为重要的是，相比TiO₂，ZnO是一种典型的直接带隙半导体，拥有10倍于TiO₂的电子活动性，如此，电子的分离和转移效率都有提高。然而不幸的是，传统的ZnO是一个宽禁带(Eg＝3.2eV)的光催化剂，仅仅只能在紫外光照射下进行光催化还原CO₂反应，我们都知道紫外光只占太阳光的百分之五，而可见光却占太阳光的百分之四十，很明显，这将大大削弱ZnO的总体光催化效率。同时，在光催化性能方面的稳定性也不尽令人满意。而且，文献中所报道的ZnO光催化剂的比表面积不够大，导致不能高效的捕获CO₂反应分子。这极大的限制了其光催化还原CO₂领域的实际应用。

发明内容

本发明提供了一种多孔碳改性的ZnO光催化材料及其制备方法。该制备方法具有制备工艺简单，反应条件温和，易于控制等特点。所得复合材料具有光催化活性高，稳定性好，易于储存等特点。

一种多孔碳改性的ZnO光催化材料，由氧化锌纳米颗粒和无定型的多孔纳米碳组成，无定型的多孔纳米碳主要包覆在氧化锌纳米颗粒表面或掺杂在氧化锌纳米颗粒之间的间隙中。

按上述方案，所述的氧化锌纳米颗粒粒径5-100纳米范围可调，多孔纳米碳中的孔分布范围1-100mn，平均孔径为5～25nm。

按上述方案，上述多孔碳改性的ZnO光催化材料是由金属有机骨架材料ZIF-8于350～650℃煅烧1-4h得到的。

按上述方案，所述的煅烧温度优选为450～600℃。

一种原位合成多孔碳改性的ZnO光催化材料的方法，步骤如下：

(1)金属有机骨架材料ZIF-8的制备：提供前驱体：2-甲基咪唑和Zn²⁺源化合物的混合溶液，搅拌，静置陈化，最后将得到的溶液进行离心分离，洗涤除去未反应的原料后干燥，研磨即为金属有机骨架材料ZIF-8粉体；

(2)将ZIF-8粉体作为原料装于带盖坩埚中，在马弗炉中煅烧加热并保温一段时间，所得固体经研磨即为多孔碳改性的ZnO粉体。

按上述方案，配制2-甲基咪唑和Zn²⁺源化合物的混合溶液的溶剂包括但不局限于甲醇，还可以是N,N-二甲基甲酰胺或者去离子水。

按上述方案，所述的搅拌时间为20min-1.5h。

按上述方案，所述的陈化时间为12-48h。

按上述方案，所述的干燥温度为50～80℃。