[发明专利]一种镓铟锌三元氮氧化物的制备方法及其应用

说明书

本发明一种镓铟锌三元氮氧化物制备方法。本发明以Ga(NO₃)₃·xH₂O，Zn(Ac)₂·2H₂O，In(NO₃)₃·xH₂O分别作为镓源、锌源和铟源，乙醇胺和少量乙酸作为溶剂，采用溶剂热的方法先获得均匀的前驱体混合液，将此前驱体长时间置于低温环境下至凝胶状后，高温焙烧制得淡黄色镓铟锌氧化物(GIZO)，最后在氨气氛围下高温氮化制得灰绿色GIZNO纳米材料。本发明制得的GIZNO具有明显的核壳结构，经过密度泛函理论(DFT)计算证明，该核壳结构能有效地促进光催化分解水过程中光生载流子的分离，进而能够高效的光催化分解水。在负载1wt％铑(Rh)作为助催化剂和可见光(λ≥420nm)照射条件下，光催化分解水产氢速率为603μmol h^‑1g^‑1，产氧速率为274μmol h^‑1g^‑1,430nm处的表观量子效率达到3.5％，显示出较好的应用前景。

技术领域

本发明属于化学领域，涉及光催化纳米材料制备技术领域，尤其是涉及一种纳米核壳镓铟锌三元氮氧化物的制备方法及其应用。

背景技术

2005年，Domen等人利用直接氮化固溶体方法制备了GaN/ZnO光催化剂，并对其合成方法，表征结果，材料改性等方面进行了深入的分析。这是第一例在可见光下分解纯水的氮化物固溶体光催化剂，也是效率非常高的能利用可见光分解纯水的光催化剂。氮化镓属六方纤锌矿结构，目前主要应用于半导体照明中，是发光二极管的核心组成部分。而氧化锌的应用比较广泛，它的带隙和激子束缚能较大，而且透明度高，有优异的常温发光性能，所以在半导体领域的薄膜晶体管、液晶显示器、发光二极管等产品中均有应用。二者具有很多共同点，GaN和ZnO都是紫外光响应的半导体，其禁带宽度分别为3.4eV和3.2eV，其对太阳能的利用率不足5％。但是二者具有相同的纤锌矿结构，具有相似的晶格参数(GaN：a＝b＝0.319，c＝0.519nm；ZnO：a＝b＝0.325，c＝0.521nm)，这就使二者形成固溶体成为了可能。根据密度泛函理论的计算可知，GaN/ZnO固溶体的导带底由Ga的4s和4p轨道构成，价带顶由N 2p和Zn 3d轨道构成，且N 2p和Zn 3d轨道具有p-d轨道排斥作用。这就使得在导带位置不变的情况下，通过N 2p和Zn 3d轨道的排斥作用，使价带位置得到提升，从而实现了禁带宽度减小，使两种紫外光响应的半导体成为了可见光响应的固溶体。

目前GaN/ZnO固溶体的合成主要是直接高温固相烧结法。主要使用Ga₂O₃和ZnO的粉末在氨气氛围中利用高温烧结使二者形成固溶体。高温烧结法的优势就是方法比较简单，只需将原料混匀氮化即可，但也存在一定的缺点，例如长时间的高温烧结不仅造成能源的大量浪费，而且固溶体中Zn的含量会随着长时间的高温烧结而挥发，使得固溶体含锌量下降，尤其是接近表层Zn的含量甚至接近为无。然而众所周知，催化反应是表面反应，这样的结果不仅会降低其可见光应用范围，势必会影响催化效果。另外，简单地将前驱体进行氮化，所得产物的组分并不是特别均匀，也会影响样品的光催化活性和可重复性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种纳米核壳镓铟锌三元氮氧化物的制备方法，及其在光催化完全分解水应用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种镓铟锌三元氮氧化物的制备方法，包括以下步骤：

(1)以Ga(NO₃)₃·xH₂O、In(NO₃)₃·xH₂O和Zn(Ac)₂·2H₂O分别作为镓源、铟源和锌源，以乙醇胺和和乙酸作为溶剂，采用溶剂热法制备前驱体；