[发明专利]一种碳化植物叶片@ZnO/Au异质结多级结构组装体催化剂及其制备方法

说明书

一种碳化植物叶片@ZnO/Au异质结多级结构组装体催化剂及其制备方法，属于光催化技术领域。本发明首先以自然界广泛存在的植物叶片为原料制备碳化植物叶片，然后在碳化叶片上生长ZnO纳米棒阵列，最后采用光还原HAuCl₄的方法在ZnO表面负载Au纳米粒子，从而得到所述光催化剂。多级结构组装体中ZnO与Au的比例可以通过改变加入的金源和锌源的比例及光照时间方便地进行调节。碳化植物叶片@ZnO/Au异质结多级结构组装体保持了植物叶片特有的互穿的三维网络结构，可以提高催化剂的光能捕获能力，且多级结构组装体大的比表面积、互穿的网络结构也有利于反应物与催化剂的接触以及液体的扩散，从而可以从多方面提高光催化效率。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种碳化植物叶片@ZnO/Au异质结多级结构组装体催化剂及其制备方法。

背景技术

光催化氧化技术被认为是解决环境污染问题的最有应用前景的技术之一。光催化氧化技术主要是通过光与催化剂作用产生的自由基与有机污染物发生自由基氧化反应来降解污染物。迄今为止，已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以通过半导体光催化氧化而迅速降解。近年来，制备高效的光催化剂一直是科学家们研究的热点。在常用的半导体光催化剂中，ZnO的制备成本相对较低，且具有较低的生长和晶化温度、易于制备多样的形貌和结构，吸引了越来越多科学家的关注。目前，单纯的ZnO催化剂在实际应用中仍有三个亟待解决的问题：一是半导体在可见光区的吸收能力很差，严重限制了太阳光的利用；二是光生电子-空穴对重组率高，光量子效率低；三是纳米粉末催化材料分散性不好、容易发生团聚，且不易于固液分离。因此，开发具有更广光响应范围的催化材料以及提高光量子的利用效率是研究的重点方向。

近年来，新型复合ZnO基异质结纳米材料得到了科学家们的广泛关注。在贵金属/半导体复合异质结构中，贵金属在可见光区强的表面等离子体共振(SPR)效应可以拓展可见光吸收；而且贵金属一般具有比半导体更低的费米能级，能促进光生电子和空穴的分离，从而提高光催化剂的光量子效率，因而成为研究的热点。

目前人们在“师法自然”思想的指导下，利用植物叶片、藻类、鲽翅等自然生物材料为模板制备了具有高比表面积和孔隙率的特殊结构的TiO₂，提高了光催化剂的效率。近期报道的以聚氨酯泡沫(Journal of Colloid and Interface Science,2018,514,40–48)和石墨烯海绵(Electrochimica Acta,2017,246 35–42)为载体修饰ZnO纳米棒和Au纳米粒子制备三元杂化组装体，获得了增强的光催化降解有机污染物性能。由于多孔结构材料载体的制备及向多孔结构中引入并调控光活性纳米粒子的分布的方法还很有限，这种杂化材料组装体制备方法的报道还比较少。目前报道的杂化组装体都是以人工合成的三维大孔结构为模板，还没有基于自然界多级孔结构的杂化组装体制备及性能研究的报道。自然界中能够最大程度利用太阳光的结构是绿色植物的叶片结构，叶片内部的海绵组织，排列疏松，胞间隙发达，有利于光合作用过程中气体的交换与扩散，同时使入射光发生多步散射，延长光程，可进一步提高叶绿体对光的吸收。中空的导管和筛管结构有利于水分和营养物质的输送。高温煅烧植物叶片可以得到兼具植物叶片的多级孔特征以及导电性的碳化叶片多级孔结构，具有人工模板法所无法比拟的叶片特有的自然优化的多通道结构，赋予其表面积大、骨架结构丰富且孔隙体积较大的特征。研究表明将碳化叶片用作染料敏化太阳能电池的对电极、钠离子电池电极以及超级电容器的工作电极等能有效提高器件的效率。但还没有以碳化叶片为基底修饰半导体纳米粒子构筑多级结构组装体及相关性能研究的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳化植物叶片@ZnO/Au异质结多级结构组装体催化剂及其制备方法，多级结构组装体中ZnO与Au的比例可以通过改变加入的金源和锌源的比例及光照时间方便地进行调节。碳化植物叶片@ZnO/Au异质结多级结构组装体保持了植物叶片特有的互穿的三维网络结构，可以提高催化剂的光能捕获能力，且多级结构组装体大的比表面积、互穿的网络结构也有利于反应物与催化剂的接触以及液体的扩散，从而可以从多方面提高光催化效率。