一種制備麥穗狀納米ZnO光催化劑的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種液相快速合成具有麥穗狀形貌納米ZnO光催化劑的方法。以醋酸鋅溶液為原料，在2～8℃條件下加入氫氧化鈉溶液，控制混合溶液中鋅堿摩爾比在（1:5）～（1:7）范圍內(nèi)，得到含Zn(OH)42-離子前驅(qū)體的溶液，然后在65～90℃的水浴中恒溫陳化2～3h，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、水洗，再經(jīng)稀氨水洗滌，烘干，得到一種形貌可控、具有良好結(jié)晶度的麥穗狀納米ZnO粉體材料。該粉體材料具有優(yōu)異的光催化劑性能，對(duì)甲基橙和亞甲基藍(lán)等有機(jī)污染物的降解率可達(dá)到95%以上。本發(fā)明具有原料易得、工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)時(shí)間短、條件溫和、無(wú)污染物排放等優(yōu)點(diǎn)，為ZnO超細(xì)粉體的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一條切實(shí)可行、綠色環(huán)保的新途徑。
【專利說(shuō)明】一種制備麥穗狀納米ZnO光催化劑的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備納米ZnO光催化劑的方法，特別是一種液相合成麥穗狀納米ZnO光催化劑的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米ZnO可在紫外光激發(fā)條件下發(fā)生光催化反應(yīng)，從而催化氧化降解廢水中的有毒有機(jī)污染物，在環(huán)境污染治理方面扮演著極其重要的角色。隨著新材料工業(yè)對(duì)粉體性能的要求越來(lái)越高，納米ZnO的催化性能很大程度上取決于產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)和形貌。因此，可控形貌納米ZnO光催化劑的研制和開(kāi)發(fā)成為目前材料領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。S.C.Tsang等以醋酸鋅和油酸為原料，三辛胺為溶劑，在290°C下水熱反應(yīng)lh，制得長(zhǎng)度210?230nm、直徑24?29nm的棒狀納米ZnO和六角形盤(pán)狀納米ZnO顆粒,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),盤(pán)狀納米ZnO的光催化性能比棒狀的高出 5 倍以上(J.Am.Chem.Soc.2009, 131，12540-12541)。S.M.Wang等以硝酸鋅和六次甲基四胺為原料，檸檬酸三鈉作形貌調(diào)控劑，在90°C下水熱反應(yīng)3h制備出了棒狀、板狀，以及具有三維分層結(jié)構(gòu)的花狀ZnO納米顆粒，其中花狀ZnO由于具有較大的比表面積，表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性(J.Mater.Chem.2011，21，4228-4234)。李莉等以醋酸鋅和碳酸氫鈉為原料，采用微波輔助合成方法，將前驅(qū)沉淀物在300°C下煅燒2h，制備了具有光催化活性的三維球狀ZnO納米簇，其對(duì)多種染料均有顯著的降解效果，降解率可達(dá)90%以上(高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(7)，1528-1533)。劉金庫(kù)等以硝酸鋅、硫酸鋁和碳酸鈉為原料，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為改性劑，利用超聲和水熱的協(xié)同控制作用制備了粒徑約為20nm的摻鋁ZnO納米晶，對(duì)羅丹明B的光催化效果顯著，該光催化劑具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠循環(huán)使用(物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28 (11)，2713-2720)。在以往，人們采用多種方法成功合成了不同形貌的納米ZnO，然而，對(duì)其光催化性能的有效控制還存在一定局限性，有些方法制備的顆粒對(duì)有機(jī)污染物的光催化降解作用不明顯，甚至根本不具有催化降解功能。眾多科研數(shù)據(jù)表明，納米ZnO的微觀結(jié)構(gòu)和形貌對(duì)其光催化性能起著決定性作用，主要表現(xiàn)在以下方面:其一，在納米ZnO晶體中，極性面(如富集Zn原子的001面和富集O原子的00-1面)暴露越多，其光催化效果越顯著；其二，納米ZnO顆粒的比表面積越大，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，尤其具有分層結(jié)構(gòu)的晶體，其光催化性能越高。因此，尋找一種工藝簡(jiǎn)單、低成本，綠色工藝制備粒度均勻、形貌可控、具有高效光催化性能的納米ZnO的方法意義明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種制備麥穗狀納米ZnO光催化劑的方法，其工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種綠色合成工藝。所制備的產(chǎn)品形貌特殊，能在光輔助下有效地催化降解有毒有機(jī)污染物，可用于廢水和廢氣處理。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。一種制備麥穗狀納米ZnO光催化劑的方法，
以醋酸鋅溶液為原料，在低溫2?8°C條件下加入氫氧化鈉溶液，控制混合溶液中鋅堿([Zn2+]: [0H_])摩爾比在(1:5)?(1:7)范圍內(nèi)，得到含Zn(OH)42_離子前驅(qū)體的溶液，然后在65?90°C的水浴中恒溫陳化2?3h，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、水洗，再經(jīng)稀氨水洗滌，供干，得到ー種形貌可控、具有良好結(jié)晶度的麥穗狀納米ZnO粉體材料，該粉體材料即納米ZnO光催化劑。
[0005]本發(fā)明的方法，反應(yīng)原料醋酸鋅溶液的初始濃度為0.2?0.4 mol/L。
[0006]本發(fā)明的方法，醋酸鋅溶液與氫氧化鈉溶液的最佳混合溫度為5°C。
[0007]在本發(fā)明中，加入NaOH控制溶液堿度，使鋅堿([Zn2+]: [OHl )摩爾比在(1:5)?(1:7)范圍內(nèi)，是生成麥穗狀納米ZnO最適宜的堿性條件。
[0008]本發(fā)明中，反應(yīng)物醋酸鋅和氫氧化鈉的混合溫度控制在2?8°C，有利于反應(yīng)前驅(qū)體Zn (OH)廣的生成。
[0009]本發(fā)明還給出了產(chǎn)物麥穗狀納米ZnO光催化劑的各維度尺寸。本發(fā)明所制備的納米ZnO光催化劑具有特殊的形貌，即麥穗狀(見(jiàn)附圖1)?！胞溗搿遍L(zhǎng)度5?8Mm，截面寬度I?1.5Mm，“麥穗”由平均直徑lOOnm、長(zhǎng)度400?500nm、頂端尖狀的納米棒組成，其尺寸人為可控，單分散性好。該材料具有優(yōu)異的光催化劑性能，對(duì)甲基橙和亞甲基藍(lán)等有機(jī)污染物的降解率可達(dá)到95%以上。
[0010]本發(fā)明取得的有益效果是:本發(fā)明以廉價(jià)原料制備出具有特殊形貌一麥穗狀納米ZnO高效光催化劑材料。該方法為ー步水溶液法，反應(yīng)溫度低，時(shí)間短，エ藝簡(jiǎn)単，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，無(wú)環(huán)境污染。本發(fā)明為エ業(yè)化生產(chǎn)高純度、粒徑可控的納米ZnO光催化劑材料提供了技術(shù)條件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1:麥穗狀納米ZnO微粒的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明。
[0013]實(shí)施例1
反應(yīng)釜中加入濃度為1.0moI/L的Zn (Ac)2溶液20ml，通過(guò)低溫循環(huán)水控制反應(yīng)釜溫度50C，在磁力攪拌下加入4.0moI/L的NaOH溶液30ml，使鋅堿摩爾比[Zn2+]: [0H_] =1: 6，可得到含前驅(qū)體Zn(0H)42_離子的溶液，加入蒸餾水定容反應(yīng)液總體積為100ml，然后在85°C下恒溫陳化2h，產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、水洗數(shù)次后用稀氨水洗滌，干燥后可得麥穗狀納米ZnO微粒，“麥穗”長(zhǎng)度5.8Mm，截面寬度0.96Mm。產(chǎn)物形貌分析見(jiàn)附圖1。
[0014]實(shí)施例2
反應(yīng)釜中加入濃度為1.0moI/L的Zn (Ac)2溶液20ml，通過(guò)低溫循環(huán)水控制反應(yīng)釜溫度50C，在磁力攪拌下加入4.0moI/L的NaOH溶液35ml，使鋅堿摩爾比[Zn2+]: [OHl=1: 7，可得到含前驅(qū)體Zn(0H)42_離子的溶液，加入蒸餾水定容反應(yīng)液總體積為100ml，然后在85°C下恒溫陳化3h，產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、水洗數(shù)次后用稀氨水洗滌，干燥后可得麥穗狀納米ZnO微粒，“麥穗”長(zhǎng)度5.6Mm，截面寬度1.5Mm。
[0015]實(shí)施例3
反應(yīng)釜中加入濃度為1.0moI/L的Zn (Ac)2溶液20ml，通過(guò)低溫循環(huán)水控制反應(yīng)釜溫度5°C，在磁力攪拌下加入4.0moI/L的NaOH溶液30ml，使鋅堿摩爾比[Zn2+]: [0H_] =1: 6，可得到含前驅(qū)體Ζη(0Η)42_離子的溶液，加入蒸餾水定容反應(yīng)液總體積為100ml，然后在65°C下恒溫陳化3h，產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、水洗數(shù)次后用稀氨水洗滌，干燥后可得麥穗狀納米ZnO微粒，“麥穗”長(zhǎng)度7.7Mm，截面寬度1.5Mm。
【權(quán)利要求】
1.一種制備麥穗狀納米ZnO光催化劑的方法，其特征是:以醋酸鋅溶液為原料，在低溫2?8で下加入氫氧化鈉溶液，控制混合溶液中鋅堿摩爾比在(1:5)?(1:7)范圍內(nèi)，得到含Zn(0H)42_離子前驅(qū)體的溶液，然后在65?90°C的水浴中恒溫陳化2?3h，所得產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、水洗，再經(jīng)稀氨水洗滌，烘干，得到麥穗狀納米ZnO光催化劑材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是:醋酸鋅溶液與氫氧化鈉溶液的混合溫度為5°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是:醋酸鋅溶液的初始濃度為0.2?0.4mol/し
【文檔編號(hào)】B01J23/06GK103586013SQ201310562136
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】李平, 左江琴 申請(qǐng)人:河北師范大學(xué)