CN106430286B - 一种制备核壳结构ZnO/g‑C3N4复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备核壳结构ZnO/g‑C3N4复合材料的方法，具体步骤为：将尿素溶解在二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，再将氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于125‑135℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的核壳结构ZnO/g‑C3N4复合材料。本发明制备工艺简单易行，重复性好，可用于大批量生产，制得的具有核壳结构的ZnO/g‑C3N4复合材料在光学、电学和热学等相关领域均具有较好的应用前景。

Description

一种制备核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料的方法
技术领域
本发明属于纳米复合材料的合成技术领域，具体涉及一种制备核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料的方法。
背景技术
ZnO是一种性能优异的光电功能材料，但是由于其较大的禁带宽度，氧化锌只能被紫外光激发产生光生载流子，极大限制了氧化锌在光催化、光伏电池等方面的应用。为了解决这一问题，研究者通过将氧化锌与窄带半导体复合形成复合材料，是一种能够有效拓宽其光谱响应范围的方法。而且半导体间合适能带的匹配，还有利于促进光生电荷的分离，减少复合，提高量子效率。g-C3N4是一种新型非金属半导体，具有较低的禁带宽度，其离域π键结构能使光生电荷快速转移，具有优异的化学、机械、电子、热力学和光学性能，并且其制备原理简单，原料廉价，受到了研究者们的关注。
将ZnO与g-C3N4形成复合材料，在拓宽ZnO光谱相应区间的同时能够提高其光电性能，受到了很多关注。公开号为CN104437649A的专利公开了一种ZnO/介孔C3N4复合光催化剂及其制备方法，该专利提出了通过简单溶剂热的方法一步合成ZnO负载的介孔C3N4复合材料，所制备的复合材料具有较好的可见光催化性能。公开号为CN102950016A的专利公开了一种ZnO/g-C3N4复合光催化剂的制备方法，该专利通过两段式溶剂热/超声分散法制备了在g-C3N4上生长多孔ZnO纳米晶的复合材料，高分散性纳米复合颗粒加强了催化剂对太阳光的有效利用，提高了催化剂的活性。但是上述专利中所提出的制备方法均需要首先合成C3N4，然后在此基础上制备复合材料。此外先前的英文报道中，文献方法均需要在制备g-C3N4材料的基础上制备复合材料，例如朱永法教授、蒋凯教授、Sreedhar教授课题组利用超声辅助或直接研磨复合的方法制备了ZnO/g-C3N4复合材料（Energy Environ. Sci. 4 (2011) 2922-2929；Chem. Eng. J. 15 (2015) 441-447；Nanoscale, 6 (2014) 4830–4842）。
公开号为CN105195195A的专利公开了一种ZnO/ g-C3N4复合光催化剂及其制备方法和应用，该专利中提到了利用含氮有机前驱物（三聚氰胺、氰胺或尿素等）作为反应物，通过原位生长g-C3N4的方法制备了与ZnO的复合材料，并取得了较好的催化降解效果。同时英文文献中也报道了基于含氮有机前驱物分解制备ZnO/g-C3N4复合材料的方案（ChemicalEngineering, 2012, 209: 386-393；Dalton Transactions, 2012, 41: 6756-6763）。但是现有基于含氮有机前驱物（三聚氰胺、氰胺或尿素等）分解的技术方案无法实现g-C3N4在氧化物表面的均一包覆。由于ZnO是一种两性氧化物在酸碱溶液中均不稳定，故此能实现g-C3N4在ZnO表面的均一、薄层包覆，既可以提高其光电性能，也可提升复合材料的稳定性。
综上所述，目前所报道的ZnO/g-C3N4复合材料的合成方法或存在操作过程繁琐，或存在形成g-C3N4与ZnO均一包裹的复合结构。因此有必要进一步探究制备方法简单、易扩大且实现g-C3N4对ZnO均匀包覆的制备工艺。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种制备核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料的方法，该方法工艺简单，易扩大，且能够实现g-C3N4对ZnO颗粒的均匀包覆。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种制备核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料的方法，其特征在于具体步骤为：将尿素溶解在二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，再将氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于125-135℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料。
进一步优选，所述的制备核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料的方法的具体步骤为：将0.5-1.5g尿素溶解在10mL二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，再将1g氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于125-135℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料。
本发明制备工艺简单易行，重复性好，可用于大批量生产，制得的具有核壳结构的ZnO/g-C3N4复合材料在光学、电学和热学等相关领域均具有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的ZnO/g-C3N4复合材料的XRD图；
图2是本发明实施例1制得的ZnO/g-C3N4复合材料的TEM图和EDS图；
图3是本发明实施例1制得的ZnO/g-C3N4复合材料的能谱分析图；
图4 是本发明实施例1与对比例1制得的ZnO/g-C3N4复合材料的光催化性能对比图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
将1g尿素溶解在10mL二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，将1g氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于130℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的目标复合材料。
实施例2
将1.5g尿素溶解在10mL二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，将1g氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于135℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的目标复合材料。
实施例3
将0.5g尿素溶解在10mL二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，将1g氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于125℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的目标复合材料。
对比例1
将1g尿素溶解在10mL二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，将1g氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，然后直接升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的目标复合材料。未经过125-135℃低温尿素熔融处理的对比例样品，由于前驱物不能形成与氧化锌表面的充分浸润，经高温热处理后无法形成均一包覆，故此催化效果有所下降，可见低温预处理对材料最终的性能有很大的影响。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (2)

1.一种制备核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料的方法，其特征在于具体步骤为：将尿素溶解在二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，再将氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于125-135℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料的方法，其特征在于具体步骤为：将0.5-1.5g尿素溶解在10mL二次水中，室温下搅拌得到澄清溶液，再将1g氧化锌纳米颗粒超声分散至上述澄清溶液中，室温搅拌将水分挥发，得到白色固体粉末，将所得的白色固体粉末转移至瓷坩埚中，再将瓷坩埚敞口放置于马弗炉中，先于125-135℃低温热处理30分钟，然后升温至450℃高温热处理2小时，最终得到淡黄色的核壳结构ZnO/g-C3N4复合材料。
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