CN105366712A - 一种以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于光催化剂材料制备技术范围的一种采用一种新的锡源合成锡酸锌催化剂及其制备方法；本发明所述的锡酸锌光催化剂是由锡酸钠和硝酸锌在水中按比例混合、在180摄氏度水热反应24小时、过滤、洗涤及干燥后所制得；本发明制备的光催化材料具有合成简单，性能稳定，高光催化活性等优点，可作为光催化处理有机物的环境净化材料。

Description

一种以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及紫外光光催化材料，特别涉及一种以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法。
背景技术
近年来，随着经济的高速发展以及煤炭、石油等化石燃料的过度开采，人类面临着巨大的能源危机，消耗这些化石燃料的同时也带来了严重的环境污染问题，环境污染和能源危机是人类亟待解决的主要问题。1972年，日本东京大学的Fujishima和Honda在《Nature》上报道：TiO2半导体电极与金属电极所组成的电池受到光的辐射，会持续不断的发生水的氧化还原反应产生H2。自此,半导体光催化技术被认为是解决世界能源危机的重要手段，并且利用半导体光催化剂把光能转化成电能和化学能成为最炙手可热的研究领域之一。目前人们探究了一大批性能优异的半导体材料体系，主要集中在具有d电子结构的过渡金属氧化物，然而这类材料体系中的d0电子有较强的局域性，太阳能利用率相对较低。具有d10结构的p区氧化物锡酸锌半导体由于其具有较高的电子迁移率在许多领域均有潜在的应用而成为研究的热点。
锡酸锌(Zn2SnO4)是一种反尖晶石结构的半导体。因为具有高电子迁移率、高电导率和低可见吸收，使其在光电装置、化学传感器、功能涂层和透明传导电极等方面具有广泛的应用。目前已经有报道，将锡酸锌作为锂离子电池的阳极材料，光催化降解水中的有机污染物和作为染料敏化太阳能电池(DSSC)的工作电极。锡酸锌的应用前景已经促使人们对其合成方法产生浓厚的研究兴趣。在过去的几年，已经提出很多方法来合成锡酸锌，比如热蒸发法、高温煅烧法、溶胶凝胶法、球磨研磨法等。然而这些合成方法通常涉及复杂的控制过程，限制了锡酸锌的应用潜能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法，通过基于溶液的水热合成，其制备途径温和，可用于大规模生产。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法，将锡酸钠和硝酸锌按照摩尔比为1：2的比例分别溶于去离子水中，然后将两种溶液混合在一起，调整混合溶液的pH值至12.5，倒入水热反应釜中，180℃保持24小时，自然冷却到室温，将所得到的固体用蒸馏水水洗后，放入80℃烘箱中烘干，最后碾成粉末状锡酸锌。
所述锡酸钠用量4毫摩尔，硝酸锌用量8毫摩尔，分别溶于18毫升去离子水中，得到浓度为0.22摩尔/升的锡酸钠溶液和浓度为0.44摩尔/升的硝酸锌溶液。
利用5mol/L的氢氧化钠溶液调整所述混合溶液的pH值。
所述水热反应釜含有聚四氟乙烯内衬。
与现有技术相比，本发明所得光催化材料具有光热稳定性好，光催化活性高等优点，可以作为光催化降解有机物污染物的催化剂。
附图说明
图1是180摄氏度水热反应24小时后锡酸锌的粉末X射线衍射图。
图2是锡酸锌的扫描电子显微镜图片。
图3是锡酸锌的紫外-可见漫反射谱图。
图4是锡酸锌降解亚甲基蓝的动力学曲线以及叔丁醇对锡酸锌光催化降解亚甲基蓝的影响。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1
制备本发明所指锡酸锌的方法是：将4毫摩尔锡酸钠和8毫摩尔硝酸锌分别溶于18毫升去离子水中。然后，将两种溶液混合在一起。用5mol/L的氢氧化钠溶液将上述混合溶液的pH值调到12.5，再倒入含有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将水热反应釜置于180℃的烘箱24个小时。然后，让其自然冷却到室温。最后将得到的固体用蒸馏水洗3遍，放入80℃烘箱中，烘干后将样品从烘箱中取出，用砚钵将其碾成粉末状目标物。
以实施例1所制得的样品的粉末X射线衍射图同标准卡片比较，图1给出其粉末X射线衍射光谱。从图1中清楚表明本发明所制备的锡酸锌催化剂和标准卡片吻合的非常好。随后，用扫描电子显微镜研究锡酸锌的微观结构。扫描电子显微镜显示锡酸锌样品是许多纳米片堆叠到一起，如图2所示。同时，本发明也研究了锡酸锌光谱吸收特征。锡酸锌的紫外-可见漫反射光谱如图3所示。锡酸锌的吸收边界在400nm,带宽约为2.669eV。为区分其跃迁特征，分析了紫外-可见漫反射光谱中(Ahυ)与能量E的关系。对于半导体，其禁带宽度与吸收系数有如下关系：
a h v = A ( h v - E g ) n 2
其中，α为半导体的吸收系数；ν为光的频率；A为常数；n为整数，它的值与半导体吸光跃迁特性有关，n＝1、2、4或6；Eg为禁带宽度。一般认为能量E与(Ahυ)平方根成直线关系，为间接半导体，与其平方成直线关系为直接半导体。本发明样品的(Ahυ)的平方与能量成直线关系，这说明锡酸锌是直接半导体。
为进一步验证本发明所得锡酸锌的性能，进行如下实验：
向100毫升亚甲基蓝溶液(2×10-5mol\L)，添加50毫克本发明所得锡酸锌，紫外杀菌灯照射下反应30分钟。用锡酸锌降解亚甲基蓝的速率来评价其光催化活性。图4是制备的锡酸锌紫外光条件下降解亚甲基蓝的效果评价，由于亚甲基蓝在光催化剂的表面降解符合准一级动力学方程，对降解曲线拟和，结果显示制备的锡酸锌光催化降解亚甲基蓝的表观速率常数为0.04098min-1。而且，从图4亚甲基蓝的空白曲线可以看出，在没有添加锡酸锌光催化剂的情况下，亚甲基蓝几乎没有降解，说明锡酸锌在亚甲基蓝的降解中起到决定性的作用。
下面通过对比例对本发明中制备的锡酸锌催化剂的光催化降解机制作进一步说明。
对比例
紫外光照射下光催化剂降解有机污染物的机理已经有所研究。当光生电子-空穴对迁移到光催化剂表面后，存在两种可能的光催化反应过程：光生电子被捕获将OH–或H2O还原成为·OH自由基，羟基自由基进一步与底物反应；空穴直接氧化光催化剂表面吸附着的反应底物。采用叔丁醇来检测锡酸锌在光催化反应过程中活性氧化物种抑制程度。从图4可以看出，在锡酸锌光催化反应体系中，加入羟基自由基抑制剂叔丁醇后光催化活性下降很大，说明在光催化反应的过程中是存在羟基自由基的间接氧化过程的。而且，羟基自由基是主要的活性氧化物种。

Claims (4)

1.一种以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法，其特征在于，将锡酸钠和硝酸锌按照摩尔比为1：2的比例分别溶于去离子水中，然后将两种溶液混合在一起，调整混合溶液的pH值至12.5，倒入水热反应釜中，180℃保持24小时，自然冷却到室温，将所得到的固体用蒸馏水水洗后，放入80℃烘箱中烘干，最后碾成粉末状锡酸锌。
2.根据权利要求1所述以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法，其特征在于，所述锡酸钠用量4毫摩尔，硝酸锌用量8毫摩尔，分别溶于18毫升去离子水中，得到浓度为0.22摩尔/升的锡酸钠溶液和浓度为0.44摩尔/升的硝酸锌溶液。
3.根据权利要求1所述以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法，其特征在于，利用5mol/L的氢氧化钠溶液调整所述混合溶液的pH值。
4.根据权利要求1所述以锡酸钠为原料合成锡酸锌的方法，其特征在于，所述水热反应釜含有聚四氟乙烯内衬。
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