CN109794231A - 一种二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化钛‑氧化锌纳米催化材料的制备方法，包括：(1)将钛酸四丁酯加入无水乙醇和冰醋酸的混合溶液中，磁力搅拌15～60min，再加入稀硝酸，在30～60℃水浴条件下磁力搅拌20～30min，得到二氧化钛溶胶；(2)将醋酸锌加入二甘醇水溶液中，超声振荡2～10h，离心，洗涤，干燥，得到氧化锌纳米颗粒；(3)将上述氧化锌纳米颗粒加入所述二氧化钛溶胶中，磁力搅拌5～15h，在20～130KH的频率下超声振荡1～5h，所得混合物分别用去离子水和无水乙醇清洗2～3次，在40～200℃条件下干燥2～6h，得到二氧化钛‑氧化锌纳米催化材料。本发明中，通过在二氧化钛中掺杂氧化锌有助于提高复合材料的光降解活性，从而增大对紫外光的吸收率。

Description

一种二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别是涉及一种二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法。

背景技术

环境污染和能源资源紧张是未来社会发展所必须要面对的严峻问题。氢气是一种清洁、高效、可再生的能源载体，在国民经济和社会生活中得到了广泛的应用。由于太阳能和水资源的丰富，太阳能光催化制氢的开发利用具有很大的发展潜力。近年来，纳米二氧化钛(TiO₂)由于其优良的光催化性能的优势，化学稳定性高、抗光腐蚀，无毒、成本低廉等优点，被认为是最有前景的光催化材料，引起了人们的广泛关注。特别是具有一维纳米结构的纳米TiO₂材料，其比表面积大、长宽比大，表面活性位点多，电子传输速率快的特点使得其拥有较高的光催化活性。然而，由于TiO₂的带隙相对较宽(3.2eV)，使得它只响应于紫外波长的光线照射。此外，在光催化产氢过程中，光生电子-空穴对在从内部到表面的迁移过程中容易在催化剂内部重组，导致太阳能转化为氢能的低效率。在过去的几十年中，研究人员研究开发了各种方法来提高TiO₂的光催化效率，包括贵金属沉积，金属和非金属元素的掺杂(例如N和S元素)、染料敏化和与其他半导体进行耦合等。近年来，金属氧化物(如CuO、ZnO、NiO)，由于在光催化分解水方面表现出来的较高活性，引起了研究者们的关注。

氧化锌(ZnO)由于其是带隙较宽(3.37eV)的直接带隙半导体，同时拥有较大的激子束缚能(60meV)，被认为是很有前途的光电材料，常常被用来做光电催化剂，同时也应用于激光二极管方面的材料、太阳能电池和锂离子充电电池的电极材料。ZnO具有与TiO₂类似的能带结构和物理性能，但同时也具有一些二氧化钛所没有的特性，如较高的量子产率和较高的电子迁移率，这十分有利于提高其光催化活性。此外，纳米ZnO具有易结晶和各向异性生长的性能，这让纳米ZnO易于被合成多种形貌的纳米结构。重要的是，ZnO的价带位置和较强的电子移动速率有利于水分解制氢气。同时，ZnO和TiO₂的能带结构能够很好的匹配。因此，将纳米氧化锌偶联在一维的纳米二氧化钛材料上，有望提高其光催化活性和产氢性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，包括：

(1)将钛酸四丁酯加入无水乙醇和冰醋酸的混合溶液中，磁力搅拌15～60min，再加入稀硝酸，在30～60℃水浴条件下磁力搅拌20～30min，得到二氧化钛溶胶；

(2)将醋酸锌加入二甘醇水溶液中，超声振荡2～10h，离心，洗涤，干燥，得到氧化锌纳米颗粒；

(3)将上述氧化锌纳米颗粒加入所述二氧化钛溶胶中，磁力搅拌5～15h，在20～130KH的频率下超声振荡1～5h，所得混合物分别用去离子水和无水乙醇清洗2～3次，在40～200℃条件下干燥2～6h，得到二氧化钛-氧化锌纳米催化材料。

优选的，步骤(1)中，所述钛酸四丁酯、所述无水乙醇和所述冰醋酸的体积比为1:2～10:2～10。

优选的，步骤(1)中，所述稀硝酸浓度为0.5～2mol/L。

优选的，步骤(2)中，所述醋酸锌的重量与所述二甘醇水溶液的体积之比为1～5g：50～500mL。

优选的，步骤(2)中，所述醋酸锌的制备方法包括：

1)将氧化锌、冰醋酸、水和醋酸锌母液按1：(1.2～1.8)：(2～5)的重量比混合后，加热搅拌均匀，再加入催化剂，并加热使温度升至95～97℃时，恒温搅拌30～40min，得到沉淀；

2)将上述沉淀过滤，液料浓缩，然后放入结晶槽结晶，将醋酸锌母液回收，再将所得晶体在100～120℃脱水，醋酸锌母液回收，即得产物醋酸锌。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中，通过在二氧化钛中掺杂氧化锌有助于提高复合材料的光降解活性，从而增大对紫外光的吸收率。

具体实施方式

本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本发明公开一种二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，包括：

(1)将钛酸四丁酯加入无水乙醇和冰醋酸的混合溶液中，磁力搅拌15～60min，再加入稀硝酸，在30～60℃水浴条件下磁力搅拌20～30min，得到二氧化钛溶胶；

(2)将醋酸锌加入二甘醇水溶液中，超声振荡2～10h，离心，洗涤，干燥，得到氧化锌纳米颗粒；

(3)将上述氧化锌纳米颗粒加入所述二氧化钛溶胶中，磁力搅拌5～15h，在20～130KH的频率下超声振荡1～5h，所得混合物分别用去离子水和无水乙醇清洗2～3次，在40～200℃条件下干燥2～6h，得到二氧化钛-氧化锌纳米催化材料。

上述步骤(1)中，所述钛酸四丁酯、所述无水乙醇和所述冰醋酸的体积比为1:2～10:2～10，优选的，所述钛酸四丁酯、所述无水乙醇和所述冰醋酸的体积比为1:2～5:2～5，进一步优选的，所述钛酸四丁酯、所述无水乙醇和所述冰醋酸的体积比为1:2:2。

上述步骤(1)中，所述稀硝酸浓度为0.5～2mol/L。

上述步骤(2)中，所述醋酸锌的重量与所述二甘醇水溶液的体积之比为1～5g：50～500mL。

在一实施例中，所述醋酸锌的制备方法包括：

1)将氧化锌、冰醋酸、水和醋酸锌母液按1：(1.2～1.8)：(2～5)的重量比混合后，加热搅拌均匀，再加入催化剂，并加热使温度升至95～97℃时，恒温搅拌30～40min，得到沉淀；

2)将上述沉淀过滤，液料浓缩，然后放入结晶槽结晶，将醋酸锌母液回收，再将所得晶体在100～120℃脱水，醋酸锌母液回收，即得产物醋酸锌。

实施例

1、制备醋酸锌

1)将氧化锌、冰醋酸、水和醋酸锌母液按1:1.4:3的重量比混合后，加热搅拌均匀，再加入催化剂，并加热使温度升至95℃时，恒温搅拌35min，得到沉淀；

2)将上述沉淀过滤，液料浓缩，然后放入结晶槽结晶，将醋酸锌母液回收，再将所得晶体在110℃脱水，醋酸锌母液回收，即得产物醋酸锌。

2、制备二氧化钛-氧化锌纳米催化材料

(1)将体积比为1:2:2的钛酸四丁酯、无水乙醇和冰醋酸进行混合，磁力搅拌60min，再加入1mol/L稀硝酸，在30℃水浴条件下磁力搅拌30min，得到二氧化钛溶胶；

(2)将2g醋酸锌加入250mL二甘醇水溶液中，超声振荡5h，离心，洗涤，干燥，得到氧化锌纳米颗粒；

(3)将上述氧化锌纳米颗粒加入所述二氧化钛溶胶中，磁力搅拌10h，在100KH的频率下超声振荡3h，所得混合物分别用去离子水和无水乙醇清洗2～3次，在120℃条件下干燥4h，得到二氧化钛-氧化锌纳米催化材料。

本发明中，通过在二氧化钛中掺杂氧化锌有助于提高复合材料的光降解活性，从而增大对紫外光的吸收率；采用紫外光照射废水60min后，有机物的降解率高达98.6％。因此，本发明中的复合材料在光催化方面具有广阔的应用前景。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (5)

1.一种二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将钛酸四丁酯加入无水乙醇和冰醋酸的混合溶液中，磁力搅拌15～60min，再加入稀硝酸，在30～60℃水浴条件下磁力搅拌20～30min，得到二氧化钛溶胶；

(2)将醋酸锌加入二甘醇水溶液中，超声振荡2～10h，离心，洗涤，干燥，得到氧化锌纳米颗粒；

(3)将上述氧化锌纳米颗粒加入所述二氧化钛溶胶中，磁力搅拌5～15h，在20～130KH的频率下超声振荡1～5h，所得混合物分别用去离子水和无水乙醇清洗2～3次，在40～200℃条件下干燥2～6h，得到二氧化钛-氧化锌纳米催化材料。

2.根据权利要求1所述的二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钛酸四丁酯、所述无水乙醇和所述冰醋酸的体积比为1:2～10:2～10。

3.根据权利要求1所述的二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述稀硝酸浓度为0.5～2mol/L。

4.根据权利要求1所述的二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述醋酸锌的重量与所述二甘醇水溶液的体积之比为1～5g：50～500mL。

5.根据权利要求1所述的二氧化钛-氧化锌纳米催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述醋酸锌的制备方法包括：

1)将氧化锌、冰醋酸、水和醋酸锌母液按1：(1.2～1.8)：(2～5)的重量比混合后，加热搅拌均匀，再加入催化剂，并加热使温度升至95～97℃时，恒温搅拌30～40min，得到沉淀；

2)将上述沉淀过滤，液料浓缩，然后放入结晶槽结晶，将醋酸锌母液回收，再将所得晶体在100～120℃脱水，醋酸锌母液回收，即得产物醋酸锌。