[发明专利]一种在可见光照射下具有优异光催化性能的棒状铈掺杂氧化锌与石墨烯复合材料光催化剂

说明书

本发明公开了在可见光照射下具有优异光催化性能的棒状铈掺杂氧化锌与石墨烯复合材料光催化剂的制备方法与流程,属于材料制备技术领域，实验采用一步水热法依次合成了氧化锌、不同掺杂浓度的铈掺杂氧化锌与石墨烯复合材料光催化剂粉体，探究了最佳掺比浓度（掺铈质量比为2%）并对样品进行了测试与表征。本发明的特点是：光催化剂制备方法简单，高催化效率，成本低，产率高，无污染。

技术领域

本发明属于材料制备领域，涉及镧系元素铈掺杂N型半导体氧化锌与石墨烯复合材料的制备及其光催化性能的研究，研究了铈掺杂氧化锌与石墨烯复合材料和纯氧化锌光催化性能的差异，并探究了铈的掺比浓度对光催化性能的影响。

背景技术

作为最具前景的光催化基础材料，氧化锌（ZnO）具有无毒、无臭、无味、成本低和制备工艺简单等优势，同时，由于其较宽的带隙（3.37eV）和较大的激发结合能（60meV），使其在催化剂、气敏元件、压敏器件、电池、表面声波器件、量子自选电子器件、发光二极管等领域具有巨大潜力。然而，由于ZnO光生电子-空穴对重组率高、可见光区的吸收能力差等自身缺陷，导致了其光催化性能达不到预期效果，大大降低了在光催化领域的利用率。因此需要拓宽ZnO的光响应范围，提高光生电子空穴对的分离效率是改善氧化锌光催化性能的途径。目前，为提高ZnO光催化活性，主要有金属离子掺杂、贵金属复合、半导体复合等方式。掺杂可以在价带和导带之间引入新的中间能级以降低吸收能。此外，掺杂还可以影响ZnO的晶粒尺寸、结晶度、光电性能。在众多掺杂元素中，铈元素被认为是一种理想的掺杂剂，有助于提高氧化锌的光催化活性。铈离子掺杂氧化锌得到了广泛的研究并取得了很大的进展。参阅Chemical Engineering Journal: Highly efficient photocatalyst based on Cedoped ZnO nanorods: Controllable synthesis and enhanced photocatalyticactivity. 第229期第225-233页，参阅Powder Technology : Sonochemically generatedcerium doped ZnO nanorods for highly efficient photocatalytic dyedegradation. 第318期第120-127页。复合材料是弥补单一材料性能缺陷、增强材料性能、混合各种材料性能的重要手段。石墨烯是由碳原子组成的二维蜂窝状网状物，其具有大的比表面积、高的热稳定性和化学稳定性、优良的导电性和迁移率和显著的结构柔韧性。石墨烯在光催化过程中提供具有高电子传导性的网络，并且用作支持材料作为催化剂的载体。氧化锌与石墨烯的协同作用有望改善氧化锌在光催化中的缺陷，从而提高光吸收强度，拓宽光响应范围，抑制载流子复合，提高表面活性，提高光催化活性。参阅SCIENCE :Graphene_ Status and Prospects, 第324期第1530-1534页。参阅EnvironmentalScience and Pollution Research: Synthesis and characterization of Ag/Bi₂WO₆/GOcomposite for the fast degradation of tylosin under visible light, 第25期第11754-11766页。参阅The Journal of Physical Chemistry C: Controlled Synthesisof CeO₂/Graphene Nanocomposites with Highly Enhanced Optical and CatalyticProperties, 第116期第11741-11745页。

发明内容

本发明的目的是在相同实验条件的前提下，制备出氧化锌（ZnO）、氧化锌石墨烯复合材料（ZG）、铈掺杂氧化锌与石墨烯复合材料（ZGCeO1、ZGCeO2、ZGCeO3、ZGCeO4），探究了铈的最佳掺比浓度（掺铈质量比为2%）并探究了掺杂和复合对纯氧化锌光催化性能的影响。