CN103586013A - 一种制备麦穗状纳米ZnO光催化剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液相快速合成具有麦穗状形貌纳米ZnO光催化剂的方法。以醋酸锌溶液为原料，在2～8℃条件下加入氢氧化钠溶液，控制混合溶液中锌碱摩尔比在（1:5）～（1:7）范围内，得到含Zn(OH)₄ ^2-离子前驱体的溶液，然后在65～90℃的水浴中恒温陈化2～3h，所得产物经过滤、水洗，再经稀氨水洗涤，烘干，得到一种形貌可控、具有良好结晶度的麦穗状纳米ZnO粉体材料。该粉体材料具有优异的光催化剂性能，对甲基橙和亚甲基蓝等有机污染物的降解率可达到95%以上。本发明具有原料易得、工艺简单、反应时间短、条件温和、无污染物排放等优点，为ZnO超细粉体的工业化生产提供了一条切实可行、绿色环保的新途径。

Description

一种制备麦穗状纳米ZnO光催化剂的方法

技术领域

本发明涉及一种制备纳米ZnO光催化剂的方法，特别是一种液相合成麦穗状纳米ZnO光催化剂的方法。

背景技术

纳米ZnO可在紫外光激发条件下发生光催化反应，从而催化氧化降解废水中的有毒有机污染物，在环境污染治理方面扮演着极其重要的角色。随着新材料工业对粉体性能的要求越来越高，纳米ZnO的催化性能很大程度上取决于产品的物理结构和形貌。因此，可控形貌纳米ZnO光催化剂的研制和开发成为目前材料领域的一个热点。S.C. Tsang等以醋酸锌和油酸为原料，三辛胺为溶剂，在290℃下水热反应1h，制得长度210～230nm、直径24～29nm的棒状纳米ZnO和六角形盘状纳米ZnO颗粒，实验发现，盘状纳米ZnO的光催化性能比棒状的高出5倍以上（J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12540-12541）。S.M. Wang等以硝酸锌和六次甲基四胺为原料，柠檬酸三钠作形貌调控剂，在90℃下水热反应3h制备出了棒状、板状，以及具有三维分层结构的花状ZnO纳米颗粒，其中花状ZnO由于具有较大的比表面积，表现出优异的光催化性（J. Mater. Chem. 2011, 21, 4228-4234）。李莉等以醋酸锌和碳酸氢钠为原料，采用微波辅助合成方法，将前驱沉淀物在300℃下煅烧2h，制备了具有光催化活性的三维球状ZnO 纳米簇，其对多种染料均有显著的降解效果，降解率可达90%以上（高等学校化学学报, 2012, 33(7), 1528-1533）。刘金库等以硝酸锌、硫酸铝和碳酸钠为原料，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为改性剂，利用超声和水热的协同控制作用制备了粒径约为20nm的掺铝ZnO纳米晶，对罗丹明B的光催化效果显著，该光催化剂具有较高的结构稳定性，能够循环使用（物理化学学报, 2012, 28 (11), 2713-2720）。在以往，人们采用多种方法成功合成了不同形貌的纳米ZnO，然而，对其光催化性能的有效控制还存在一定局限性，有些方法制备的颗粒对有机污染物的光催化降解作用不明显，甚至根本不具有催化降解功能。众多科研数据表明，纳米ZnO的微观结构和形貌对其光催化性能起着决定性作用，主要表现在以下方面：其一，在纳米ZnO晶体中，极性面（如富集Zn原子的001面和富集O原子的00-1面）暴露越多，其光催化效果越显著；其二，纳米ZnO颗粒的比表面积越大，结构越复杂，尤其具有分层结构的晶体，其光催化性能越高。因此，寻找一种工艺简单、低成本，绿色工艺制备粒度均匀、形貌可控、具有高效光催化性能的纳米ZnO的方法意义明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备麦穗状纳米ZnO光催化剂的方法，其工艺简单、反应条件温和、对环境无污染，是一种绿色合成工艺。所制备的产品形貌特殊，能在光辅助下有效地催化降解有毒有机污染物，可用于废水和废气处理。

    本发明的目的是这样实现的。一种制备麦穗状纳米ZnO光催化剂的方法，

以醋酸锌溶液为原料，在低温2～8℃条件下加入氢氧化钠溶液，控制混合溶液中锌碱（[Zn²⁺]:[OH^-]）摩尔比在（1:5）～（1:7）范围内，得到含Zn(OH)₄ ^2-离子前驱体的溶液，然后在65～90℃的水浴中恒温陈化2～3h，所得产物经过滤、水洗，再经稀氨水洗涤，烘干，得到一种形貌可控、具有良好结晶度的麦穗状纳米ZnO粉体材料，该粉体材料即纳米ZnO光催化剂。

本发明的方法，反应原料醋酸锌溶液的初始浓度为0.2～0.4 mol/L。

本发明的方法，醋酸锌溶液与氢氧化钠溶液的最佳混合温度为5℃。

在本发明中，加入NaOH控制溶液碱度，使锌碱（[Zn²⁺]:[OH^-]）摩尔比在（1:5）～（1:7）范围内，是生成麦穗状纳米ZnO最适宜的碱性条件。

本发明中，反应物醋酸锌和氢氧化钠的混合温度控制在2～8℃，有利于反应前驱体Zn(OH)₄ ^2-的生成。

本发明还给出了产物麦穗状纳米ZnO光催化剂的各维度尺寸。本发明所制备的纳米ZnO光催化剂具有特殊的形貌，即麦穗状（见附图1）。“麦穗”长度5～8μm，截面宽度1～1.5μm，“麦穗”由平均直径100nm、长度400～500nm、顶端尖状的纳米棒组成，其尺寸人为可控，单分散性好。该材料具有优异的光催化剂性能，对甲基橙和亚甲基蓝等有机污染物的降解率可达到95%以上。

本发明取得的有益效果是：本发明以廉价原料制备出具有特殊形貌——麦穗状纳米ZnO高效光催化剂材料。该方法为一步水溶液法，反应温度低，时间短，工艺简单，经济实用，无环境污染。本发明为工业化生产高纯度、粒径可控的纳米ZnO光催化剂材料提供了技术条件。

附图说明

图1：麦穗状纳米ZnO微粒的场发射扫描电镜照片。

具体实施方式

    以下实施例用于说明本发明。

实施例1                                                

反应釜中加入浓度为1.0mol/L的Zn(Ac)₂溶液20ml，通过低温循环水控制反应釜温度5℃，在磁力搅拌下加入4.0mol/L的NaOH溶液30ml，使锌碱摩尔比[Zn²⁺]:[OH^-]=1:6，可得到含前驱体Zn(OH)₄ ^2-离子的溶液，加入蒸馏水定容反应液总体积为100ml，然后在85℃下恒温陈化2h，产物经过滤、水洗数次后用稀氨水洗涤，干燥后可得麦穗状纳米ZnO微粒，“麦穗”长度5.8μm，截面宽度0.96μm。产物形貌分析见附图1。

实施例2

反应釜中加入浓度为1.0mol/L的Zn(Ac)₂溶液20ml，通过低温循环水控制反应釜温度5℃，在磁力搅拌下加入4.0mol/L的NaOH溶液35ml，使锌碱摩尔比[Zn²⁺]:[OH^-]=1:7，可得到含前驱体Zn(OH)₄ ^2-离子的溶液，加入蒸馏水定容反应液总体积为100ml，然后在85℃下恒温陈化3h，产物经过滤、水洗数次后用稀氨水洗涤，干燥后可得麦穗状纳米ZnO微粒，“麦穗”长度5.6μm，截面宽度1.5μm。

实施例3

反应釜中加入浓度为1.0mol/L的Zn(Ac)₂溶液20ml，通过低温循环水控制反应釜温度5℃，在磁力搅拌下加入4.0mol/L的NaOH溶液30ml，使锌碱摩尔比[Zn²⁺]:[OH^-]=1:6，可得到含前驱体Zn(OH)₄ ^2-离子的溶液，加入蒸馏水定容反应液总体积为100ml，然后在65℃下恒温陈化3h，产物经过滤、水洗数次后用稀氨水洗涤，干燥后可得麦穗状纳米ZnO微粒，“麦穗”长度7.7μm，截面宽度1.5μm。

Claims (3)

1.一种制备麦穗状纳米ZnO光催化剂的方法，其特征是：以醋酸锌溶液为原料，在低温2～8℃下加入氢氧化钠溶液，控制混合溶液中锌碱摩尔比在（1:5）～（1:7）范围内，得到含Zn(OH)₄ ^2-离子前驱体的溶液，然后在65～90℃的水浴中恒温陈化2～3h，所得产物经过滤、水洗，再经稀氨水洗涤，烘干，得到麦穗状纳米ZnO光催化剂材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：醋酸锌溶液与氢氧化钠溶液的混合温度为5℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：醋酸锌溶液的初始浓度为0.2～0.4 mol/L。