CN104003434B - 一种三维自组装氧化锌纳米异质材料、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维自组装氧化锌纳米异质材料、制备方法及其应用，制备方法为：将表面镀有锌的铁片清洗干净后，放入二次蒸馏水、氨水和硫脲的混合液中，在密闭的高温高压反应釜中，通过加热反应体系制得。本发明制备方法产物纯度高、分散性好、晶形好且可控制，生产成本低，重现性好。所制备出的三维自组装氧化锌纳米异质材料可作为光催化降解环境污染物的催化剂，在紫外光的照射下，实现对污染物甲基橙的高效、快速、彻底降解。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种三维自组装氧化锌纳米异质材料、制备方法及其应用。
背景技术
光催化氧化法是近几十年来发展起来的一种先进的氧化技术。它是将特定光源(如紫外光)与催化剂(ZnO、TiO2等)联合作用对有机废水进行降解处理的过程。光催化氧化法与传统水处理技术中以污染物的分离、浓缩以及相转移等为主的物理方法相比，具有明显的节能、快速、高效、污染物降解彻底等优点。
ZnO是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，在室温下其禁带宽度约为3.37eV。与普通的氧化锌相比，三维的氧化锌纳米材料在太阳能电池、表面声波和压电材料、场发射、纳米激光等光电技术领域具有重要的潜在应用价值，其在光催化氧化法中的应用也引起了人们的重视。
目前，氧化锌纳米材料的制备方法多种多样，主要有:射频溅射法、双离子束溅射沉积法、化学气相沉积法、分子束蒸发沉积、脉冲激光沉积、喷雾热分解法以及溶胶一凝胶法等，但是，以上方法都比较繁琐，制备过程较为复杂、纳米形貌不好控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种三维自组装氧化锌纳米异质材料。
本发明还提供了一种一步可控制备三维自组装氧化锌纳米异质材料的合成方法。
本发明还提供了一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的应用。
本发明提供的一种三维自组装氧化锌纳米异质材料，在超薄的氧化锌纳米片骨架上生长棒状氧化锌纳米材料，排列整齐，具有规则的三维异质结构。
本发明提供的一种一步可控制备三维自组装氧化锌纳米异质材料的合成方法，包括以下步骤：
a、将表面镀有锌的铁片清洗干净；
b、将二次蒸馏水、氨水和硫脲混合均匀，得到混合液，加入反应釜中，将清洗后的表面镀有锌的铁片浸入混合液中，将反应釜密闭，在40℃-80℃下反应2-8h，冷却至室温，清洗，室温干燥，即制得自组装三维氧化锌纳米材料。
步骤a中清洗方法为：将表面镀有锌的铁片依次放入乙醇、水中进行超声清洗，超声清洗时间分别为10-20min；
步骤b中所述二次蒸馏水和氨水的体积比为20-60：1；
步骤b中所用氨水浓度≥12mol/L；
步骤b中硫脲在混合液中浓度为0.09-0.4mol/L。
本发明还提供了一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的应用，本发明制备的三维氧化锌纳米异质材料可作为光催化降解环境污染物的催化剂，在紫外光的照射下，实现对甲基橙的快速、高效、彻底降解。
本发明提供一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的制备方法，是在密闭的高温高压反应釜中，采用二次蒸馏水作为反应溶剂，加入氨水和硫脲混合均匀，通过加热反应体系，产生一个高压环境而进行材料制备的一种有效方法。本发明制备方法产物纯度高、分散性好、晶形好且可控制，生产成本低，重现性好。所制备出的三维自组装氧化锌纳米异质材料可作为光催化降解环境污染物的催化剂，在紫外光的照射下，实现对污染物甲基橙的高效、快速、彻底降解。
附图说明
图1为实施例1制备的三维自组装氧化锌纳米异质材料的扫描电子显微镜照片(SEM)；
图2为实施例2制备的三维自组装氧化锌纳米异质材料的扫描电子显微镜照片(SEM)；
图3为实施例3制备的三维自组装氧化锌纳米异质材料的扫描电子显微镜照片(SEM)；
图4为实施例4制备的三维自组装氧化锌纳米异质材料的扫描电子显微镜照片(SEM)；
图5为实施例5制备的三维自组装氧化锌纳米异质材料的扫描电子显微镜照片(SEM)；
图6为实施例1中在甲基橙最大吸收波长464nm处测量其在不同时间段的吸光度；
图7为实施例1中不同时间段用吸光度计算甲基橙的降解率；
图8为一级反应的线性关系，C0为甲基橙的原始浓度，Ct为反应一段时间后甲基橙的浓度。
具体实施方式
实施例1
一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将表面镀有锌的铁片依次放入乙醇、水中进行超声清洗15min；
b、将20mL二次蒸馏水、0.5mL12mol/L的氨水和0.153g硫脲混合均匀后加入60mL反应釜中，将处理过的锌片浸入混合液中，拧紧釜盖，在60℃下反应6h，取出反应釜自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得自组装三维氧化锌纳米材料。
制备的三维自组装氧化锌纳米异质材料与锌制电极的质量面积比为0.0125g/cm2。
将实施例1制备的三维自组装氧化锌纳米异质材料，作为光催化降解环境污染物的催化剂，在紫外光的照射下实现了对污染物甲基橙的快速、高效、彻底降解。
配制浓度50mg/L100mL的甲基橙溶液，加入0.05g制备的三维氧化锌纳米异质材料，磁力搅拌1h，实现吸附和脱附平衡，在300W紫外灯的照射下进行反应，光源距离液面10cm,同时进行电磁搅拌。每隔10min取一次样，先将样品按6000r/min的转速离心旋转10min，分离出上清液，再将所得的上清液按10000r/min的转速离心旋转20min，分离出上清液。
图6为在UV-754型紫外可见分光光度计上，在甲基橙最大吸收波长464nm处测量其在不同时间段的吸光度。图7为通过不同时间段吸光度计算甲基橙的降解率为D＝[(A0-As)/A0]×100％，其中：A0为光照分解前甲基橙的吸光度，As为光照分解后甲基橙的吸光度。图8为通过In(C0/Ct)＝kt得出一级反应的线性关系。其中：C0为甲基橙的原始浓度，Ct为反应一段时间后甲基橙的浓度。
实施例2
一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将表面镀有锌的铁片次放入乙醇、水中进行超声清洗20min；
b、将20mL二次蒸馏水、0.8mL12mol/L的氨水和0.153g硫脲混合均匀后加入60mL反应釜中，将处理过的锌片浸入混合液中，拧紧釜盖，在40℃下反应8h，取出反应釜自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得三维自组装氧化锌纳米异质材料。
实施例3
一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将表面镀有锌的铁片依次放入乙醇、水中进行超声清洗15min；
b、将20mL二次蒸馏水、0.5mL12mol/L的氨水和0.306g硫脲混合均匀后加入60mL反应釜中，将处理过的锌片浸入混合液中，拧紧釜盖，在80℃下反应3h，取出反应釜自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得三维自组装氧化锌纳米异质材料。
实施例4
一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将表面镀有锌的铁片依次放入乙醇、水中进行超声清洗10min；
b、将20mL二次蒸馏水、0.5mL12mol/L的氨水和0.5g硫脲混合均匀后加入60mL反应釜中，将处理过的锌片浸入混合液中，拧紧釜盖，在70℃下反应4h，取出反应釜自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得三维自组装氧化锌纳米异质材料。
实施例5
一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将表面镀有锌的铁片依次放入乙醇、水中进行超声清洗15min；
b、将20mL二次蒸馏水、1mL12mol/L的氨水和0.5g硫脲混合均匀后加入60mL反应釜中，将处理过的锌片浸入混合液中，拧紧釜盖，在50℃下反应6h，取出反应釜自然冷却至室温，依次用乙醇、二次蒸馏水冲洗干净，室温干燥，即制得三维自组装氧化锌纳米异质材料。
Claims (5)
1.一种三维自组装氧化锌纳米异质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将表面镀有锌的铁片清洗干净；
b、将二次蒸馏水、氨水和硫脲混合均匀，得到混合液，加入反应釜中，将清洗后的表面镀有锌的铁片浸入混合液中，将反应釜密闭，在40 ℃-80 ℃下反应2-8 h，冷却至室温，清洗，室温干燥，即制得自组装三维氧化锌纳米材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中清洗方法为：将表面镀有锌的铁片依次放入乙醇、水中进行超声清洗，超声清洗时间分别为10-20 min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中所述二次蒸馏水和氨水的体积比为20-60：1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中所用氨水浓度≥12mol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中硫脲在混合液中浓度为0.09-0.4 mol/L。
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