一种片层聚集花状氧化锌光催化剂的制备方法

摘要

本发明公开了一种片层聚集花状氧化锌光催化剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1、配置锌盐溶液；S2、配置碱液；S3、混合反应制备氧化锌。本发明提供一种常温常压制备光催化活性氧化锌材料的方法，属于半导体光催化领域，工艺简单，可操作性强，适于产业化生产，在模拟日光下，将亚甲基蓝在2h内降解99.5％以上，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂制备技术领域，具体涉及一种片层聚集花状氧化锌光催化剂的制备方法。

背景技术

氧化锌光催化技术因为具有稳定性好、成本低、安全无毒、制备简单等许多优点，在低浓度生化有机废水处理方面具有广阔的应用前景。氧化锌是一种半导体，在受到大于其禁带宽度能两个的光照射后，价带上的电子会吸收能量，从能量较低的能级迁移到能量较高的能级在原来的位置形成空穴。空穴能够与材料表面的水或氧气结合，形成具有强氧化性的活性氧，能够将多种有机污染物矿化。

近些年来，很多研究表明，通过制备原料和工艺条件的调整可以对氧化锌的形貌和晶面进行有效的调控，合成出具有高光催化活性的纳米颗粒。专利201711092022.5利用水热法制备了一种具有高光催化活性的矩形片层状氧化锌。此发明通过十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸铵等负离子表面活性剂和碱性缓释剂尿素等对以氢氧化钠和硝酸锌为原料合成的氧化锌进行形貌控制，整个反应在90℃-120℃下进行1-3h。虽然合成的矩形片状氧化锌具有较大的比表面积，光催化性能较好，但制备方法较复杂，使用了各种溶剂作为控制剂辅助氧化锌的合成，制备过程不环保。专利201910430011.6将六亚甲基四胺和氢氧化钠作为形貌调控剂，在高温高压下制备出纳米花状氧化锌。其制备过程耗时长且条件苛刻，需要在高温高压下反应才能形成此形貌。因此，不使用任何有机试剂作为调控剂且在温和的条件下制备出高光催化活性氧化锌的方法还很少见。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种片层聚集花状氧化锌光催化剂的制备方法，不使用有机试剂，且常温常压下即可实现，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种片层聚集花状氧化锌光催化剂的制备方法，所制备的氧化锌为片层聚集花状，其大小为2～3μm，尺寸均一，片层厚度大约为30～40nm，制备具体步骤如下：

S1、称取一份可溶性锌盐，倒入100～150份去离子水后搅拌溶解，得到可溶性锌盐溶液；

S2、称取十份氢氧化钠，倒入100～150份去离子水后溶解，得到氢氧化钠溶液；

S3、室温下将氢氧化钠溶液滴加入硝酸锌溶液中，搅拌混合溶液，再进行水热反应，反应结束后离心、清洗、烘干，得到片层聚集花状氧化锌光催化剂。

优选的，所述步骤S1中的可溶性锌盐为六水合硝酸锌，可溶性锌盐溶液为硝酸锌溶液。

优选的，所述硝酸锌溶液的浓度为0.05mol/L～0.1mol/L。

优选的，所述步骤S2中氢氧化钠溶液的浓度为0.5mol/L～2mol/L。

优选的，所述的硝酸锌与氢氧化钠的摩尔比为1:8～1:13。

优选的，所述步骤S3中的滴加速率为300ml/min～1000ml/min，混合溶液的搅拌速度为200r/min～300r/min。

优选的，所述步骤S3中的水热反应条件是：温度为10℃～30℃，反应时间为2h～6h。

优选的，所述步骤S3中的清洗是用去离子水或乙醇来清洗，清洗次数为2～3次。

优选的，所述步骤S3中的烘干温度为50℃～80℃，烘干时间为6～12h。

在光照条件下，该氧化锌光催化剂在2h内，对亚甲基蓝的降解率≥99.5％，具备优异的光催化性能。

本发明的有益效果是：

1.本发明的制备方法可以在常温条件下进行，且不使用有机试剂作为形貌控制助剂，能耗低，污染小，适于产业化生产。本方法使用的六水合硝酸锌在水中有较好的水溶性，不会发生水解。在此反应中，由于氧化锌为六方纤锌矿结构，会向(0001)择优生长。我们利用氢氧化钠和硝酸锌的高摩尔比，在强碱条件下，大量氢氧根离子富集在带正电荷的高表面能(0001)晶面上，阻碍了晶体向此方向(c轴)的生长，相对促进了非c轴方向的生长，导致了氧化锌的定向组装成具有纳米片形状的形成，同时由于此片层晶体具有大量的活性位点，导致了片层聚集形成纳米花。

2.本发明的制备方法中，以不同的速率将碱液滴加进不断搅拌的锌盐中，这样的滴加方式使得氢氧根离子在溶液中均匀分布，整个溶液中氧化锌的成核和生长都在相同的浓度下，形成的颗粒尺寸大小均一。不会出现局部大量负离子的聚集，而造成颗粒大小有差异。

3.本方法制备出的片层聚集纳米花状氧化锌光催化性能优异，2h内对亚甲基蓝降解达到99.5％以上。为制备优异的光催化性能材料提供了一种新的途径，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例使用的片层聚集花状氧化锌的SEM图；

图2为本发明实施例使用的片层聚集花状氧化锌的XRD图谱；

图3为本发明实施例片层聚集花状氧化锌的光催化降解亚甲基蓝曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

片层花状氧化锌光催化剂的制备方法，包括以下步骤：将3.0g的氢氧化钠加入150ml的去离子水中，使其充分溶解待用；将2.23g的硝酸锌加入150ml的去离子水中，使得硝酸锌溶液和氢氧化钠溶液的摩尔比为1:10。之后将氢氧化钠溶液以300ml/min滴加在处于搅拌状态的硝酸锌溶液中，在25℃反应2h，然后反应液体离心分离，固体收集物用去离子水清洗2-3次，之后将所得的粉末在70℃干燥8h，得到片层花状的氧化锌粉末。

实施例2

片层花状氧化锌光催化剂的制备方法，包括以下步骤：将2.6g的氢氧化钠加入100ml的去离子水中，使其充分溶解待用；将1.486g的硝酸锌加入100ml的去离子水中，使得硝酸锌溶液和氢氧化钠溶液的摩尔比为1:13。之后将氢氧化钠溶液以500ml/min滴加在处于搅拌状态的硝酸锌溶液中，在30℃反应3h，将反应液体离心分离，固体收集物用去离子水清洗2-3次，之后将所得的粉末在50℃干燥12h，得到片层花状的氧化锌粉末。

实施例3

片层花状氧化锌光催化剂的制备方法，包括以下步骤：将2g的氢氧化钠加入120ml的去离子水中，使其充分溶解待用；将1.486g的硝酸锌加入120ml的去离子水中，使得硝酸锌溶液和氢氧化钠溶液的摩尔比为1:8。之后将氢氧化钠溶液以1000ml/min滴加在处于搅拌状态的硝酸锌溶液中，在10℃反应6h，将反应液体离心分离，固体收集物用去离子水清洗2-3次，之后将所得的粉末在80℃干燥6h，得到片层花状的氧化锌粉末。

为了证明本发明具有优异的光催化效果，对上述实例1，2，3进行光催化性能测试。实验具体是：先配置甲基橙溶液为10mg/L，分别取40ml倒入6个100ml烧杯中，其中3个做黑暗条件的空白对照。向烧杯中加入光催化剂40mg(甲基橙溶液与氧化锌的比率为1g/L)。将悬浊液超声分散30min。在无光条件下磁力搅拌30分钟，达到吸附平衡状态。之后从0时刻开始在室温下进行光照催化实验。每隔20min取样3ml，在离心机中以3900rpm速度离心5min，取上清液用紫外可见分光光度计测试吸光度，总反应时间为2h。通过紫外可见分光光度计测试可知甲基橙的最大吸收波长为663nm。依据朗伯-比尔定律，公式：R＝(C

常温常压水热法制备氧化锌的SEM图如图1所示，从图中可以看出氧化锌的形貌为片层聚集花状，且尺寸大小均一，大约为2-3μm，片层厚度大约为30-40nm。为了进一步证明晶体材料的结构为氧化锌，图2为氧化锌的XRD图谱，发现氧化锌的衍射峰强度较高，无明显的杂质峰，符合氧化锌的六方纤锌矿结构。通过图3的光催化降解甲基橙曲线，可以看出三种实施例下制备出的片层聚集花状氧化锌在黑暗无光照条件下几乎无光催化性能，降解率最高仅为0.45％。这可能是片层聚集花状氧化锌对于染料分子具有一定的吸附作用。而在光照条件下，氧化锌在2h内对亚甲基蓝降解率均在99.5％以上，说明片层聚集花状氧化锌具有优异的光催化性能。可见本发明在简便且低成本的条件下制备出具有显著光催化效果的材料。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。