[发明专利]掺杂纳米锗酸锌的制备方法及其催化还原二氧化碳

说明书

本发明公开了掺杂纳米锗酸锌的制备方法及其催化还原二氧化碳，方法步骤如下：(1)溶液一制备：将醋酸锌、醋酸铜和氧化锗的依据摩尔的比例混合置于原料储槽中；(2)溶液二制备：将十二烷基苯磺酸钠溶于一定量的水中，于储料槽中搅拌混合均匀；(3)掺杂纳米锗酸锌的制备：将步骤1)制备的溶液一和所述骤2)制备的溶液二依据摩尔的比例输送入反应釜中，同时加入氢氧化钠溶液调价pH值；于反应条件下反应，产物水洗至中性。本发明不需要先高温合成锗酸钠，减少能量消耗；在合成掺杂铜锗酸锌过程中温度低，只需100℃‑180℃，时间短4‑10小时，进一步减少能耗。

技术领域

本发明涉及掺杂纳米锗酸锌技术领域，尤其利用简单水热合成进行掺杂，进而利用掺杂锗酸锌光催化还原二氧化碳的新方法。

背景技术

当今社会，工业的快速发展带来了严重的环境污染和能源短缺问题，如何有效地解决能源和环境问题成为了一个世界性的课题。化石燃料的过度使用释放了大量的CO₂，导致了大气中以CO₂为主的温室气体的浓度持续增加，极大地阻碍了人类社会的可持续发展。但是，CO₂也是一种潜在的碳资源，因此如何有效地利用CO₂成为了全球的热点，因为将CO₂转化成清洁的能源能够有助于同时解决能源紧缺和环境恶化的问题。其中光催化还原CO₂被认为是一种极具潜力的方案，因为光能是取之不尽、用之不竭的洁净能源，足够满足全球的需求；另外，与其它方法相比，光催化还原CO₂通常在常温、常压下进行，直接利用太阳能且无需耗费其它的辅助能源，可真正实现碳材料的循环利用。迄今为止，许多光催化材料已经应用于光催化还原CO₂中，然而极低的转化效率严重阻碍了其实际应用。因此，寻找高效、稳定、便宜的光催化剂引起了人们的广泛关注。

在过去的几十年中，二氧化钛由于具有化学稳定性、无毒等优势备受关注。但是二氧化钛由于带隙能大、激发后光电子和空穴复合率较高制约了它的光催化活性。因此，为了提高对太阳能的利用，一方面对二氧化钛进行改性，另一方面寻找非钛型高效催化剂。锗酸锌作为一种宽带隙半导体材料,是一种类似于TiO2的宽禁带半导体材料。锗酸锌由于导带弥散、光生电子流动性高且光稳定性好,对解决能源危机和水污染问题有非常重要的研究价值，被认为是一种具有应用前景的半导体光催化材料。锗酸锌属于n型金属氧化物半导体材料，表现出良好的可见光响应和优异的光催化活性，通常情况下，其合适的导带电位足以还原水或者二氧化碳、降解水中有机污染物。至今，锗酸锌半导体材料已被证实能够实现光催化还原CO₂，但通常的块体锗酸锌材料活性位点少、本征活性弱等缺点严重影响了其光催化还原CO₂的活性。而制备纳米锗酸锌材料，有助于解决以上问题。由于锗酸锌带隙较宽(4.5eV),光吸收在紫外光范围内，但自然界的紫外光仅占阳光的4％，因此降低带隙宽度，拓展光吸收至可见光范围对于锗酸锌在光催化方面的发展至关重要。本发明利用水热法合成掺杂纳米锗酸锌来调节其能带结构，降低其带隙宽度，将制备出掺杂纳米锗酸锌用于光催化还原CO₂的应用尚未见报道。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明目的之一提出一种制备掺杂纳米锗酸锌材料并调控锗酸锌中掺杂铜的浓度的工艺方法；本发明第二目的，在此基础上，在常温、常压下利用制备的材料实现高效的光催化还原二氧化碳的性能。

一种掺杂纳米锗酸锌的制备方法，其特征在于，方法步骤如下：

1)溶液一制备：将醋酸锌、醋酸铜和氧化锗的依据摩尔的比例混合置于原料储槽中；

2)溶液二制备：将十二烷基苯磺酸钠与醋酸锌依据摩尔的比例溶于一定量的水中，与储料槽中搅拌混合均匀；

3)掺杂纳米锗酸锌的制备：将步骤1)制备的溶液一和所述骤2)制备的溶液二依据摩尔的比例输送入反应釜中，同时加入氢氧化钠溶液调价pH值；于反应条件下反应，产物水洗至中性。