CN105964238A - 一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料及其制备方法。本发明采取一种简单的包覆再煅烧的方法来合成多孔碳包覆ZnO纳米复合材料，制备过程简单，首先以2‑甲基咪唑与ZnO纳米颗粒为原料构建ZnO异质结构材料，再将获得的材料煅烧，获得在ZnO表面负载一层多孔碳纳米复合材料。即获得多孔碳包覆ZnO纳米复合材料；所制备的材料在降解有机染料领域具有极大的应用前景。

Description

一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料化学领域，具体涉及到一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
由于环境污染物严重破坏了生态的平衡，如何有效清除排放出来的污染物变得尤为重要。ZnO作为一种新型的光催化剂，由于其具有合成过程简单、成本低、催化活性高且不会造成二次污染等诸多优点，在光催化降解工业有机污染物得以广泛应用。然而，在光催化过程中，ZnO的光生电子和空穴的快速结合是困扰或者阻碍其光催化效率提高的一个重要原因。
多孔碳纳米材料(PCN)能够提高材料的吸附性能、稳定性和抗腐蚀性，从而经常被用于构造异质结构。ZnO与PCN的结合可以克服ZnO本身存在的缺陷。PCN本身具有电导性，能捕获和传递电子，因此，用PCN修饰的ZnO异质结构材料是一种分离光生电子和空穴的理想材料。Sampio等人通过化学气相沉积法制备出了ZnO/C复合材料，并应用于降解苯酚，在实验中发现多孔碳修饰ZnO复合材料展现出了超高的光降解活性。另有文献报道氮掺杂可以提高碳材料的催化性能。
发明内容
针对以上技术现状，本发明所要解决的技术问题是提供一种采用多孔材料包覆和煅烧技术相结合，制备过程简单，同时具有卓越的物化性能的多孔碳包覆ZnO纳米复合材料及其制备方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料，所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)称取ZnO纳米颗粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜(简称反应釜)中，量取混合溶剂加至上述反应釜中，超声20～30min，密封反应釜，置于恒温烘箱中于90～150℃保温反应10～48h；
(2)反应结束自然冷却至室温后，取出反应釜，离心分离出沉淀物，并分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO；
(3)将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至500～900℃，在此温度下保温反应1～3h；
(4)煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。
优选地，所述步骤(1)中的ZnO颗粒与2-甲基咪唑的反应摩尔比为1:1～3；
优选地，所述步骤(1)中的混合溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和水的混合而成，DMF与水的体积比为3～1:1。
进一步的，本发明还提供了一种所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取ZnO纳米颗粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，量取混合溶剂加至上述高压反应釜中，超声20～30min，密封高压反应釜，置于恒温烘箱中于90～150℃保温反应10～48h；
(2)反应结束自然冷却至室温后，取出高压反应釜，离心分离出沉淀物，并分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO；
(3)将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至500～900℃，在此温度下保温反应1～3h；
(4)煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。
本发明的制备方法是通过构建2-甲基咪唑多孔材料包覆ZnO的核壳结构，辅以煅烧技术获得一种ZnO表面负载一层多孔碳纳米复合材料，即多孔碳包覆ZnO纳米复合材料，
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、反应原料均为常见且价格较低的化合物，ZnO纳米颗粒作为模板为提供Zn2+离子，促使2-甲基咪唑在ZnO表面组装成框架结构；
2、本发明采用简单包覆再煅烧的技术手段实现了在ZnO纳米颗粒表面包覆一层多孔碳材料的异质结构，获得了一种粒径均一，分散性良好的多孔碳包覆ZnO纳米复合材料，并且该材料具有优异的吸附性能以及光降解催化性能，在降解废水中的有机污染物(如：洗涤剂、化妆用品、涂料、增塑剂、药物、有机染料、农药、油类等)方面具有广阔的应用前景；
3、本发明的制备工艺简单，且设备投资少，同时整个生产过程无任何污染，符合可持续发展要求。
附图说明
图1为本发明的多孔碳包覆ZnO纳米复合材料透射电镜图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
称取ZnO纳米颗粒(0.325g，4mmol)，2-甲基咪唑(0.328g，4mmol)加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，随后加入32mL混合溶剂(由DMF和水混合，VDMF:V水＝3:1)，超声30min后，置于恒温烘箱中于90℃保温反应48h，反应结束自然冷却至室温取出反应釜，通过离心分离出沉淀物，将沉淀物分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO，将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至500℃，在此温度下保温反应3h，煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。用透射电镜观察上述复合材料的形貌，如图1所示。
实施例2
称取ZnO纳米颗粒(0.325g，4mmol)，2-甲基咪唑(0.492g，6mmol)加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，随后加入40mL DMF和水混合溶剂(VDMF:V水＝1:1))，超声20min后，置于恒温烘箱中于150℃保温反应10h，反应结束自然冷却至室温取出反应釜，通过离心分离出沉淀物，并分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO，将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至700℃，在此温度下保温反应2h，煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。
实施例3
称取ZnO纳米颗粒(0.325g，4mmol)，2-甲基咪唑(0.984g，12mmol)加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中；随后加入60mLDMF和水混合溶剂(VDMF:V水＝2:1)，超声30min后，置于恒温烘箱中于130℃保温反应24h；反应结束自然冷却至室温取出反应釜，离心分离出沉淀物，并分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO，将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至900℃，在此温度下保温反应1h，煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。
实施例4
称取ZnO纳米颗粒(0.325g，4mmol)，2-甲基咪唑(0.410g，5mmol)加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中；随后加入40mL混合溶剂(由DMF和水混合，VDMF:V水＝3:1)；超声20min后，置于恒温烘箱中于110℃保温反应32h；反应结束自然冷却至室温取出反应釜，离心分离出沉淀物，并分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO；将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至800℃，在此温度下保温反应2h；煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。

Claims (4)

1.一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料，其特征在于，所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)称取ZnO纳米颗粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，量取混合溶剂加至上述高压反应釜中，超声20～30min，密封高压反应釜，置于恒温烘箱中于90～150℃保温反应10～48h；
(2)反应结束自然冷却至室温后，取出高压反应釜，离心分离出沉淀物，并分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO；
(3)将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至500～900℃，在此温度下保温反应1～3h；
(4)煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料，其特征在于，所述步骤(1)中的ZnO纳米颗粒与2-甲基咪唑的反应摩尔比为1:1～3。
3.根据权利要求1所述的一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料，其特征在于，所述步骤(1)中的混合溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和水的混合而成，DMF与水的体积比为3～1:1。
4.一种如权利要求1所述的一种多孔碳包覆ZnO纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取ZnO纳米颗粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，量取混合溶剂加至上述高压反应釜中，超声20～30min，密封高压反应釜，置于恒温烘箱中于90～150℃保温反应10～48h；
(2)反应结束自然冷却至室温后，取出高压反应釜，离心分离出沉淀物，并分别用无水乙醇和去离子水多次洗涤，干燥，得到固体产物，标记为ZIF-8@ZnO；
(3)将上述ZIF-8@ZnO在管式炉中于N2氛围下煅烧，煅烧过程中以5℃/min的升温速率升至500～900℃，在此温度下保温反应1～3h；
(4)煅烧之后得到黑色固体粉末，用去离子水清洗，离心分离，干燥，即可获得所述多孔碳包覆ZnO纳米复合材料。
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Application publication date: 20160928

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