[发明专利]一种提高ZnO纳米棒阵列光催化性能的方法

说明书

本发明公开的一种提高ZnO纳米棒阵列光催化性能的方法，具体按照以下步骤实施：首先，ZnO种子层衬底的制备，其次，ZnO纳米棒阵列薄膜的制备，最后，将所制备得到的ZnO纳米棒阵列薄膜的进行进一步处理，在压电光催化过程中，开启紫外灯管，运行摇床震荡器，利用紫外分光光度计(波长为466nm)中测量其压电光催化前后的吸光度，并计算其压电光催化效率。本发明公开的方法优点是利用光催化过程中水流波动的能量来提高ZnO纳米棒阵列的光催化性能。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种提高ZnO纳米棒阵列光催化性能的方法。

背景技术

半导体光催化剂利用太阳光进行能量转换或环境净化，在污染物降解、光解水制氢、太阳能电池等领域应用前景广阔。由于制备工艺简单、成本低、无毒、光化学稳定性好、氧化还原能力强等优点，使ZnO成为最有可能替代TiO₂的半导体光催化剂。但ZnO光催化剂难以重复利用、光生载流子分离效率低导致其光催化活性不高的问题严重阻碍了ZnO光催化剂的工业化应用。通过制备ZnO纳米棒阵列可解决ZnO光催化剂难以重复利用的问题。为了提高ZnO光催化剂光生载流子分离效率，许多研究工作者将ZnO与其他窄禁带半导体光催化剂进行复合形成异质结，通过异质结来分离光生载流子。但是，光生电子和空穴分别在两种半导体间向低位导带和高位价带的转移降低了光催化剂的还原或氧化能力，同时，这类复合光催化剂在光催化过程中电子空穴对的分离效率依然很低。也有人通过对ZnO光催化剂施加电场或磁场来提高其光催化效率，但这种方法对设备要求较高，难以获得实际应用。

由于ZnO具有压电特性，因此，可以利用ZnO的极化电场来提升光生载流子的分离效率。但是，ZnO晶粒内部存在的极化电场是静电场，光催化反应过程中很容易被晶体中的自由载流子所饱和，其对光催化的增强作用也随之停止。不同于异质结所产生的内建电场，压电电场可以通过在压电材料中外加机械振动产生应力大小发生强弱变化。这样只需对ZnO晶体施加变化的力场就可以使其压电电场交替增强或减弱，避免了压电电场的饱和，从而保持光催化剂的活性。不同于外界施加的电场或磁场，变化的力场广泛存在于ZnO光催化剂的工作环境之中，尤其是水流来回波动产生的动态力场可在ZnO晶体内部形成动态电场，分离光生载流子，提高其光催化效率。

但是，目前没有一种利用光催化环境中存在的水流动能来提高ZnO光催化性能的方法。因此，为了提高ZnO晶体中光生载流子的分离效率，提高ZnO光催化剂的光催化效率，充分利用光催化剂工作中存在的自然能量，迫切需要利用光催化环境中存在的水流动能使具有压电特性的ZnO产生的动态内建压电电场来分离光生载流子。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高ZnO纳米棒阵列光催化性能的方法，解决了现有技术无法利用光催化环境中存在的水流波动能量来提高ZnO的光催化性能，本发明利用动态压电电场对ZnO晶体中光生载流子持续的分离作用，使得ZnO纳米棒阵列在2小时里的光催化效率最高可提高200％。

本发明所采用的技术方案是，一种提高ZnO纳米棒阵列光催化性能的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、ZnO种子层衬底的制备；

步骤1.1、将FTO衬底放入体积比为1:1:1的无水乙醇-丙酮-异丙酮混合溶液中，超声清洗后取出，用去离子水冲洗干净，并放入烘箱中烘干备用；

步骤1.2、将一定量的Zn(CH₃COO)₂和NaOH固体分别溶于乙醇中，然后，取上述Zn(CH₃COO)₂和NaOH溶液分别加入一定量的乙醇溶液再进行稀释，之后将上述两种稀释后的溶液分别水浴加热到65℃后混合，并在65℃下保温一段时间，自然冷却后得到的ZnO种子层溶液，将ZnO种子层溶液涂敷于FTO衬底上，待其自然蒸发后进行下一次涂敷，重复涂敷多次保证ZnO种子层厚度，最终获得ZnO前驱体膜；