一種銦氮共摻雜ZnO納米光催化材料的制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光催化材料制備和應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種銦氮共摻雜ZnO光催化材料的制備及光催化有機(jī)污染物降解的應(yīng)用。首先通過(guò)共沉淀后加熱的方法制備銦摻雜的ZnO，然后通過(guò)在通入氨氣的管式爐中退火的方法制備銦氮共摻雜ZnO。本發(fā)明所述的方法工藝簡(jiǎn)單，流程短，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所制備的樣品展現(xiàn)了對(duì)異丙醇降解的性能。其中標(biāo)記為ZnO-N-0.5％In的樣品展現(xiàn)了最佳的光催化性能。
【專利說(shuō)明】一種銦氮共摻雜ZnO納米光催化材料的制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光催化材料制備和應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種銦氮共摻雜ZnO光催化材料的制備及光催化降解有機(jī)污染物的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著室內(nèi)建筑裝飾材料和一些化學(xué)物質(zhì)的使用，室內(nèi)空氣污染的問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。室內(nèi)所用的化工物品會(huì)向空氣中釋放揮發(fā)性有機(jī)物而造成室內(nèi)空氣污染。目前已從室內(nèi)空氣中檢測(cè)出幾百種有機(jī)物(例如甲醛等)。甲醛是膠黏劑的重要組成部分，所以凡是涉及到膠黏劑的，包括人造板、涂料、地毯、家具都會(huì)含有甲醛。甲醛對(duì)人體危害極大，大量吸入還可能導(dǎo)致死亡。調(diào)查結(jié)果表明，在室內(nèi)空氣中有些有機(jī)物的濃度高于室外，甚至高于工業(yè)區(qū)。為了提高人們的生活質(zhì)量，研制高效去除室內(nèi)的有機(jī)污染物的光催化材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都引起了廣泛的研究興趣和關(guān)注。探索如何治理環(huán)境污染問(wèn)題引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。
[0003]近些年來(lái)，ZnO由于具有價(jià)格低廉，無(wú)毒和良好的光降解有機(jī)污染物的性能而受到關(guān)注。然而，它的能帶間隙寬度太大(3.2eV)，因此不能夠響應(yīng)可見(jiàn)光。為了能夠有效的利用太陽(yáng)能或室內(nèi)照明光源，將ZnO的光響應(yīng)范圍拓展到可見(jiàn)光就具有非常重要的意義。氮摻雜技術(shù)是一種用來(lái)研發(fā)可見(jiàn)光響應(yīng)型光催化材料的有效方法。2001年，Asahi等報(bào)道了氮摻雜二氧化鈦表明可見(jiàn)光的吸收能力，并表現(xiàn)出良好的光催化降解亞甲基藍(lán)和乙醛氣體的性能。然而在TiO2中氮替代氧的過(guò)程，氮摻雜后會(huì)形成缺陷(如氧空位)，而氧空位會(huì)作為電子空穴對(duì)的復(fù)合中心，這將會(huì)降低光催化活性。如果通過(guò)氮摻雜將ZnO的光響應(yīng)范圍擴(kuò)展到可見(jiàn)光區(qū)域時(shí)，缺陷(氧空位)這一電子-空穴對(duì)的復(fù)合中心不可避免會(huì)存在，從而降低光催化活性。因此，如何抑制氧空位的形成就具有重要的意義。最有效的方法之一是弓I入三價(jià)離子取代二價(jià)的鋅原子，實(shí)現(xiàn)電荷平衡，從而減少氧空位和提高光催化活性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提供了銦氮共摻雜ZnO的制備方法及其在可見(jiàn)光照射下降解有機(jī)物的應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案得到實(shí)現(xiàn):
[0006](I)六水硝酸鋅(Zn(NO3)2.6H20)和三水硝酸銦(In(NO3)3.3H20)按照一定的摩爾比例加入蒸餾水配制80mL濃度為0.5mol/L的溶液。
[0007](2)將其置于磁力加熱攪拌器(80°C )上并持續(xù)攪拌，同時(shí)緩慢加入SOmL濃度為
0.5mol/L的碳酸鈉(Na2CO3)溶液。在Na2CO3溶液完全加入后，再攪拌0.5h。
[0008](3)將所得的白色沉淀過(guò)濾，用蒸餾水沖洗4?6次。之后將沉淀物放入烘箱中(80 0C )干燥 12h。
[0009](4)將所得的前驅(qū)體在300°C下煅燒2h，從而獲得銦摻雜的ZnO。
[0010](5)銦摻雜的ZnO粉末在通入氨氣的管式爐中(450°C)退火lh。當(dāng)爐溫降至300°C時(shí)，用氮?dú)鈦?lái)替代氨氣，使樣品自然降溫。
[0011](6)得到的粉末在高溫爐中(300°C )煅燒lh。得到了銦氮共摻雜的ZnO材料。制備得到的銦氮共摻雜的ZnO掃描電子顯微鏡照片如圖1所示。可見(jiàn)其直徑為幾十納米。
[0012]本發(fā)明銦氮共摻雜的ZnO采用兩步法合成。首先采用的共沉淀后熱處理法實(shí)現(xiàn)In3+摻雜ZnO，然后再采用在通入氨氣的管式爐中退火的方法摻雜N3-離子。得到了銦氮共摻雜ZnO。本發(fā)明所述的方法工藝較簡(jiǎn)單，流程短，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為摻雜0.5%銦和氮的ZnO的電子掃描顯微鏡圖像。
[0014]圖2為摻雜不同比例銦和氮的ZnO的紫外可見(jiàn)漫反射光譜圖像。a’)ZnO ；a)ZnO-N ；b)ZnO-N-0.2% In ；c)ZnO-N-0.5% In ；d)ZnO-N-0.8% In 和 e)Zn0-N_5% In。
[0015]圖3為摻雜不同比例的銦和氮ZnO的IPA光降解活性圖像。a) ZnO-N ；b)ZnO-N-0.2% In ；c)ZnO-N-0.5% In ；d)ZnO-N-0.8% In 和 e)Zn0-N_5% In。
【具體實(shí)施方式】
[0016]【具體實(shí)施方式】一:Ζη(Ν03)2.6H20加入蒸懼水配制80mL濃度為0.5mol/L的溶液。將其置于磁力加熱攪 拌器(80°C )上并持續(xù)攪拌，同時(shí)緩慢加入SOmL濃度為0.5mol/L的Na2CO3溶液。在Na2CO3溶液完全加入后，再攪拌0.5h。將所得的白色沉淀過(guò)濾，用蒸餾水沖洗4~6次。之后將沉淀物放入烘箱中(80°C)干燥12h。將所得的前驅(qū)體在300°C下煅燒2h，從而獲得ZnO粉末。
[0017]【具體實(shí)施方式】二:將【具體實(shí)施方式】一制備的樣品在通入氨氣的管式爐中(450°C )退火lh。當(dāng)爐溫降至300°C時(shí)，用氮?dú)鈦?lái)替代氨氣，使樣品自然降溫，得到的粉末在高溫爐中(300°C )煅燒lh。得到了氮摻雜的ZnO材料標(biāo)記為ZnO-N。
[0018]【具體實(shí)施方式】三:摩爾比例為99.8 % ^ Zn (NO3)2.6H20 和 0.2% In (NO3) 3.3H20按照一定的摩爾比例加入蒸餾水配制80mL濃度為0.5mol/L的溶液。將其置于磁力加熱攪拌器(80°C )上并持續(xù)攪拌，同時(shí)緩慢加入80mL濃度為0.5mol/L的Na2CO3溶液。在Na2CO3溶液完全加入后，再攪拌0.5h。將所得的白色沉淀過(guò)濾，用蒸餾水沖洗4~6次。之后將沉淀物放入烘箱中(80°C)干燥12h。將所得的前驅(qū)體在300°C下煅燒2h，從而獲得銦摻雜的ZnO0銦摻雜的ZnO粉末在通入氨氣的管式爐中(450°C )退火lh。當(dāng)爐溫降至300°C時(shí)，用氮?dú)鈦?lái)替代氨氣，使樣品自然降溫，得到的粉末在高溫爐中(300°C)煅燒lh。得到了銦氮共摻雜的ZnO材料標(biāo)記為ZnO-N-0.2% In。
[0019]【具體實(shí)施方式】四:與【具體實(shí)施方式】三制備方法相似，其中不同的是Zn(NO3)2.6H20的摩爾比例為99.5%，In (NO3) 3.3H20的摩爾比例為0.5%。最終得到了銦氮共摻雜的ZnO材料標(biāo)記為ZnO-N-0.5% In。
[0020]【具體實(shí)施方式】五:與【具體實(shí)施方式】三制備方法相似，其中不同的是Zn(NO3)2.6H20的摩爾比例為99.2%，In (NO3) 3.3H20的摩爾比例為0.8%。最終得到了銦氮共摻雜的ZnO材料標(biāo)記為ZnO-N-0.8% In。
[0021]【具體實(shí)施方式】六:與【具體實(shí)施方式】三制備方法相似，其中不同的是Zn(NO3)2.6H20的摩爾比例為95%，In (NO3) 3.3Η20的摩爾比例為5%。最終得到了銦氮共摻雜的ZnO材料標(biāo)記為 ZnO-N-5% In。
[0022]【具體實(shí)施方式】七:通過(guò)共沉淀法和持續(xù)熱處理過(guò)程合成。光催化活性由在可見(jiàn)光照射下分解氣體異丙醇來(lái)評(píng)估。
[0023](1)0.4g固體催化劑粉末(ZnO-N)均勻地分散在底面積為8.1cm2的小培養(yǎng)皿中，將小培養(yǎng)皿置于500mL耐熱玻璃反應(yīng)器的底部。
[0024](2)密閉反應(yīng)器后，使用氣體進(jìn)樣器向反應(yīng)器中注入一定量的異丙醇。將反應(yīng)器置于避光處2h，使系統(tǒng)達(dá)到吸附脫附平衡。
[0025](3)將反應(yīng)器置于光源下開(kāi)始反應(yīng)，并定時(shí)從反應(yīng)體系中取樣，使用氣相色譜儀來(lái)檢測(cè)異丙醇、丙酮和二氧化碳的濃度。
[0026](4)光源為氙燈，使用波長(zhǎng)為420nm的光學(xué)截止濾波片和冷卻循環(huán)水系統(tǒng)(截止波長(zhǎng)小于420nm的光源和消除紅外線引起的熱效應(yīng))，檢測(cè)到丙酮產(chǎn)生速率為15.6ppm/h。
[0027]【具體實(shí)施方式】八:與【具體實(shí)施方式】七評(píng)價(jià)光催化性能方法相同，不同的是使用的光催化材料為ZnO-N-0.2% In，檢測(cè)到丙酮產(chǎn)生速率為29.38ppm/h。
[0028]【具體實(shí)施方式】九:與【具體實(shí)施方式】七評(píng)價(jià)光催化性能方法相同，不同的是使用的光催化材料為ZnO-N-0.5% In，檢測(cè)到丙酮產(chǎn)生速率為32.62ppm/h。
[0029]【具體實(shí)施方式】十:與【具體實(shí)施方式】七評(píng)價(jià)光催化性能方法相同，不同的是使用的光催化材料為ZnO-N-0.8% In，檢測(cè)到丙酮產(chǎn)生速率為31.28ppm/h。
[0030]【具體實(shí)施方式】十一:與【具體實(shí)施方式】七評(píng)價(jià)光催化性能方法相同，不同的是使用的光催化材料為Zn0-N-5% In，檢測(cè)到丙酮產(chǎn)生速率為26.79ppm/h。
【權(quán)利要求】
1.一種銦氮共摻雜ZnO光催化材料的制備及其可見(jiàn)光下降解有機(jī)物的性能。銦氮共摻雜ZnO的制備方法，其特征在于制備包括以下步驟:(I)六水硝酸鋅(Zn(NO3)2.6H20)和三水硝酸銦(In(NO3)3.3H20)按照一定的摩爾比例加入蒸餾水配制80mL濃度為0.5mol/L的溶液。(2)將其置于磁力加熱攪拌器(80°C )上并持續(xù)攪拌，同時(shí)緩慢加入SOmL濃度為0.5mol/L的碳酸鈉(Na2CO3)溶液。在Na2CO3溶液完全加入后，再攪拌0.5h。(3)將所得的白色沉淀過(guò)濾，用蒸餾水沖洗4?6次。之后將沉淀物放入烘箱中(80°C )干燥12h。(4)將所得的前驅(qū)體在300°C下煅燒2h，從而獲得銦摻雜的ZnO。(5)銦摻雜的ZnO粉末在通入氨氣的管式爐中(450°C)退火lh。當(dāng)爐溫降至300°C時(shí)，用氮?dú)鈦?lái)替代氨氣，使樣品自然降溫。(6)得到的粉末在高溫爐中(300°C )煅燒lh。得到了銦氮共摻雜的ZnO材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于摻雜的In3+濃度為0.2?5at0m%。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所用的的反應(yīng)物為Na2C03、Zn(NO3) 2.6H20和In (NO3) 3.3H20。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于共沉淀的溫度為80V。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所得的前驅(qū)體在300°C下煅燒2h，從而獲得銦摻雜的ZnO。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氮摻雜采用在通入氨氣的管式爐中退火的方法，氮?dú)饬髁繛?00?200mL/min，溫度為420?460。。，時(shí)間0.5h?3h。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)氮化處理后的樣品在空氣中熱處理lh，粉末溫度為300°C。
【文檔編號(hào)】B01D53/72GK103537312SQ201210245455
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月8日
【發(fā)明者】史海峰, 楊莉 申請(qǐng)人:江南大學(xué)