CN107611009B - 一种氧化锌复合半导体材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
取废弃的硫铁矿渣，将硫铁矿渣置于烧杯中，在加入同等质量的浓度的稀盐酸对硫铁矿渣进行改性，过滤得改性的硫铁矿渣；取改性后的硫铁矿渣，干燥后置于球磨罐中，球磨、过筛，得硫铁矿粉末；按重量份数计，取氧化锌粉末、十六烷基三甲基氯化铵和去离子水置于锥形瓶中，在超声分散下形成的白色悬浊液；取硫铁矿粉末添加至白色的悬浊液中，将锥形瓶放置在磁力搅拌器上搅拌；取多巴胺，将多巴胺溶解在Tris‑HCl缓冲液中，配制成多巴胺盐酸盐溶液；取多巴胺盐酸盐溶液，将多巴胺盐酸盐悬浊液倒入至多巴胺盐酸盐溶液中搅拌，室温下静置；过滤，用蒸馏水洗涤产物后置于烘箱内烘焙，静置冷却至室温，即得一种氧化锌复合半导体材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化锌复合半导体材料的制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
半导体是一种导电性可控，介于导体和绝缘体之间的材料。按化学成分可将半导体划分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体包括锗、硅和硒等，化合物半导体一般为第(Ⅲ与Ⅴ)族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第(Ⅱ与Ⅵ)族化合物(硫化、氧化锌等)、(锰、铬、铁、铜)的氧化物等。另外还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。在众多的半导体体材料中，无机化合物半导体材料应用也较为广泛，常见的有：ZnS、CdS、ZnO、SnO2、CdSe和TiO2等等。当今，以半导体材料为原料合成的各种产品已经广泛风靡人们的生活，已经成为国家经济发展、科技先进和强大国防的重要衡量标准。其中无机化合物半导体因其独特的禁带宽度、光吸收系数及电子迁移率使之在催化、传感器及光电领域有着潜在的应用价值。作用机理可简述为：无机半导体材料在光照的条件(能量大于或等于其禁带宽度)下，将价带(填满电子)上的电子激发到导带(没有电子)，这样形成的高活性的光生电子和空穴对使无机半导体材料发挥重大的作用。如采用溶胶-凝胶法成功合成了钛矿纳米TiO2半导体，并探讨和研究锐钛矿纳米TiO2对二氯苯酚自然光光催化降解效率及其在其它有机污染物降解中的潜在应用价值；课题组借助 CTAB的辅助作用，采用复合溶剂热法制备出介孔SnO2，通过其对乙醇的灵敏度测试显示，所合成SnO2独特的内部结构在其超强的气敏传感性中发挥了重要的作用，有望应用于气体传感器中；工作组利用锌泊作为锌源，水热制备出介孔的纳米氧化锌薄膜，光催化降解有机污染物实验显示，该纳米膜具有优异的光催化性质，有望其在污水处理方面发挥重要用途。课题组在氧化硅基板上，利用热蒸发合成了SnO2纳米棒，通过研究其对氢气的灵敏度，有望其在感应器件产品方面释放价值。随着不断的深入研究，科研工作者发现，单一半导体材料在某些方面也出现了不同程度的缺陷，比如：二氧化钛，TiO2是一种被广泛研究的光催化剂，但其在光催化过程中，对可见光响应效率低，光解产生的电子和空穴对复合率高，对污染物的吸附性差；而有较好可见光响应的CdS和CdSe半导体光催化剂容易发生光腐蚀现象等等，这些缺陷在不同程度上限制了半导体材料的应用。为了解决这些问题，科研工作者转向了复合半导体的研究，通过有效组装两种或两种以上纳、微米结构单元，可以优化材料性能，实现材料的多功能化。因此，在复合半导体的合成过程中，适当的修复，裁剪和组装可有效拓宽光电响应，使半导体材料在光催化和光电化学方面发挥应有的价值。氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体材料，在许多领域均有广泛的应用价值。然而，在实际的制备过程中，由于很难控制制备过程中出现的空位和缺陷，致使氧化锌(ZnO)性能的稳定性和效率往往不能满足实际工作器件的需求，影响了纳米氧化锌的应用范围。有文献报道，表面复合或表面修饰是改善纳米结构材料的一种先进和具有挑战的方法。因此在氧化锌的表面引入另外一种材料，并因此拓宽了氧化锌的应用领域已经成为近几年科研工作者关注的焦点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对二氧化钛光解产生的电子和空穴对复合率高，对污染物的吸附性差的问题，提供了一种氧化锌复合半导体材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）按质量比1:1，将硫铁矿和盐酸置于烧杯中，得改性硫铁矿；
（2）改性硫铁矿干燥后置于球磨罐中球磨，过筛得硫铁矿粉末；
（3）按重量份数计，取2~4份氧化锌粉末、10~20份十六烷基三甲基氯化铵和30~60份去离子水置于锥形瓶中，超声分散，形成白色悬浊液；
（4）按质量比1:20，将硫铁矿粉末添加至白色悬浊液中，均匀搅拌；
（5）取多巴胺，将多巴胺溶解在Tris-HCl缓冲液中，配制成多巴胺盐酸盐溶液；
（6）将多巴胺盐酸盐溶液和悬浊液混合，搅拌室温下静置；
（7）过滤洗涤产物，置于烘箱内烘干，即得一种氧化锌复合半导体材料。
步骤（1）所述的盐酸的浓度为0.3mol/L。
步骤（2）所述的过筛的目数为150。
步骤（5）所述的多巴胺盐酸盐溶液的浓度为3mg/mL。
步骤（6）所述的多巴胺盐酸盐溶液和悬浊液的质量比为1：2。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明通过在氧化锌复合半导体材料制备的过程中添加了硫铁矿，使其包覆在氧化锌表面，两者有较好的界面结合和带边匹配，对有机燃料污染物的吸附效率明显提高；
（2）本发明通过在氧化锌复合半导体材料制备的过程中添加了多巴胺盐酸盐溶液，有效促进了氧化锌和硫铁矿粉末的复合，增强了材料的韧性和强度。
具体实施方式
取废弃的硫铁矿渣，将硫铁矿置于烧杯中，再加入同等质量、浓度为0.3mol/L的盐酸对硫铁矿进行改性，过滤得改性硫铁矿；取改性硫铁矿，自然干燥，然后置于球磨罐中，在200~300r/min的转速下球磨2~3h，过150目筛，得硫铁矿粉末；按重量份数计，取2~4份氧化锌粉末、10~20份十六烷基三甲基氯化铵和30~60份去离子水置于锥形瓶中，在200~300W下超声分散15~20min，得白色悬浊液；按质量比1:20，将硫铁矿粉末添加至白色悬浊液中，将锥形瓶放置在磁力搅拌器上，在200~250r/min的转速下均匀搅拌30~40min；取300mg多巴胺，将多巴胺溶解在100mL的Tris-HCl缓冲液中，配制成3mg/mL的多巴胺盐酸盐溶液；取多巴胺盐酸盐溶液，将2倍多巴胺盐酸盐溶液质量的悬浊液倒入多巴胺盐酸盐溶液中，在150~180r/min的转速下搅拌15~20min，室温下静置3~4h；过滤，用蒸馏水洗涤产物6~8次后置于烘箱内，温度控制在60~80℃，干燥2~3h，静置冷却至室温，即得一种氧化锌复合半导体材料。上述的Tris-HCl缓冲液的PH值为8.5。
实例1
取废弃的硫铁矿，将硫铁矿置于烧杯中，加入同等质量的浓度为0.3mol/L的盐酸对硫铁矿进行改性，过滤得改性硫铁矿；取改性硫铁矿，自然干燥，然后置于球磨罐中，在200r/min的转速下球磨2h，过150目筛，得硫铁矿粉末；按重量份数计，取2份氧化锌粉末、10份十六烷基三甲基氯化铵和30份去离子水置于锥形瓶中，在200W下超声分散15min，得白色悬浊液；按质量比1:20，将硫铁矿粉末添加至白色悬浊液中，将锥形瓶放置在磁力搅拌器上，在200r/min的转速下均匀搅拌30min；取300mg多巴胺，将多巴胺溶解在100mLPH值为8.5的Tris-HCl缓冲液中，配制成3mg/mL的多巴胺盐酸盐溶液；取多巴胺盐酸盐溶液，将2倍多巴胺盐酸盐溶液质量的悬浊液倒入多巴胺盐酸盐溶液中，在150r/min的转速下搅拌15min，室温下静置3h；过滤，用蒸馏水洗涤产物6次后置于烘箱内，温度控制在60℃，烘焙2h，静置冷却至室温，即得一种氧化锌复合半导体材料。
实例2
取废弃的硫铁矿，将硫铁矿置于烧杯中，加入同等质量的浓度为0.3mol/L的盐酸对硫铁矿进行改性，过滤得改性硫铁矿；取改性硫铁矿，自然干燥，然后置于球磨罐中，在250r/min的转速下球磨2.5h，过150目筛，得硫铁矿粉末；按重量份数计，取2份氧化锌粉末、10份十六烷基三甲基氯化铵和45份去离子水置于锥形瓶中，在250W下超声分散17min，得白色悬浊液；按质量比1:20，将硫铁矿粉末添加至白色悬浊液中，将锥形瓶放置在磁力搅拌器上，在220r/min的转速下均匀搅拌35min；取300mg多巴胺，将多巴胺溶解在100mLPH值为8.5的Tris-HCl缓冲液中，配制成3mg/mL的多巴胺盐酸盐溶液；取多巴胺盐酸盐溶液，将2倍多巴胺盐酸盐溶液质量的悬浊液倒入多巴胺盐酸盐溶液中，在165r/min的转速下搅拌17min，室温下静置3.5h；过滤，用蒸馏水洗涤产物7次后置于烘箱内，温度控制在70℃，烘焙2.5h，静置冷却至室温，即得一种氧化锌复合半导体材料。
实例3
取废弃的硫铁矿，将硫铁矿置于烧杯中，加入同等质量的浓度为0.3mol/L的盐酸对硫铁矿进行改性，过滤得改性硫铁矿；取改性硫铁矿，自然干燥，然后置于球磨罐中，在300r/min的转速下球磨3h，过150目筛，得硫铁矿粉末；按重量份数计，取4份氧化锌粉末、20份十六烷基三甲基氯化铵和60份去离子水置于锥形瓶中，在300W下超声分散20min，形成均匀的白色悬浊液；按质量比1:20，将硫铁矿粉末添加至白色悬浊液中，将锥形瓶放置在磁力搅拌器上，在250r/min的转速下均匀搅拌40min；取300mg多巴胺，将多巴胺溶解在100mLPH值为8.5的Tris-HCl缓冲液中，配制成3mg/mL的多巴胺盐酸盐溶液；取多巴胺盐酸盐溶液，将2倍多巴胺盐酸盐溶液质量的悬浊液倒入多巴胺盐酸盐溶液中，在180r/min的转速下搅拌20min，室温下静置4h；过滤，用蒸馏水洗涤产物8次后置于烘箱内，温度控制在80℃，烘焙3h，静置冷却至室温，即得一种氧化锌复合半导体材料。
将本发明制备得的实例及北京环球金鑫国际科技有限公司的半导体材料进行检测，具体检测如下：
1.吸附测试：将50 mg制备的催化剂(ZnO单体和ZnO/CdS复合物)分别超声分散于盛有50 mL有机染料的烧杯中，本研究实验选择的有机染料为甲基橙、罗丹明B、亚甲基蓝和藏红T，浓度均为1×10-5mol/L，然后将悬浊液置于黑暗中30 min，并定期进行取样分析(取样时间为：3 min，10 min，20 min，30 min)。待悬浊液达到吸附-解吸附平衡后，将其置于自然光下照射并进行定期取样分析(取样时间为：5 min，10 min，20 min，30 min)。将每次取得样品进行离心，分别收集上层有机染料和下层催化剂，利用紫外-可见分光光度计对收集的有机染料进行吸光度测定。
2.光催化降解测试：全部的光催化降解实验是在相同的实验条件下进行的，自然光条件下，时间为上午8：00到9：00，室温在26℃到30℃之间波动。为了避免有机染料在太阳光照射下挥发，将盛有悬浊液的烧杯置于冰水浴中并用薄玻璃覆盖。同时上述两步实验操作也进行了空白对照实验，即在相同的实验环境下，有机染料中不添加任何的催化剂，同样也进行了取样及有机染料吸光度的测定。具体测试结果如表1。
表1氧化锌复合半导体材料吸附性机光催化性能表征
由表1可知，本发明制备的氧化锌复合半导体材料吸附性提高，光降解率明显增大，综合降解率显著提升。
Claims (5)
1.一种氧化锌复合半导体材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按质量比1:1，将硫铁矿和盐酸置于烧杯中，得改性硫铁矿；
（2）改性硫铁矿干燥后置于球磨罐中球磨，过筛得硫铁矿粉末；
（3）按重量份数计，取2~4份氧化锌粉末、10~20份十六烷基三甲基氯化铵、30~60份去离子水置于锥形瓶中，超声分散，形成白色悬浊液；
（4）按质量比1:20，将硫铁矿粉末添加至白色悬浊液中，均匀搅拌；
（5）取多巴胺，将多巴胺溶解在的Tris-HCl缓冲液中，配制成多巴胺盐酸盐溶液；
（6）将多巴胺盐酸盐溶液和悬浊液混合，搅拌后在室温下静置；
（7）过滤、洗涤产物，置于烘箱内烘干，即得一种氧化锌复合半导体材料。
2.根据权利要求1所述的一种氧化锌复合半导体材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的盐酸的浓度为0.3mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种氧化锌复合半导体材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的过筛的目数为150。
4.根据权利要求1所述的一种氧化锌复合半导体材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的多巴胺盐酸盐溶液的浓度为3mg/mL。
5.根据权利要求1所述的一种氧化锌复合半导体材料的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的多巴胺盐酸盐溶液和悬浊液的质量比为1：2。
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