CN110124657A - K离子掺杂ZnO光催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了K离子掺杂ZnO光催化材料及其制备方法和应用。将锌盐溶解在有机溶剂中，将一定摩尔比的钾盐或钾碱倒入搅拌中的锌盐溶液中，继续搅拌至溶解；将所得混合液置于烘箱烘干得前驱体；将前驱体进行高温煅烧，得K‑ZnO。利用本发明的方法制备的K离子掺杂ZnO光催化材料，改善了ZnO对可见光响应低的缺陷，能带结构的改变，提高了电子空穴分离率，降低电子空穴的复合率，进而可以有效的提高光催化活性，该方法成本低、方法简单、操作简洁。利用其在可见光照射下可降解有机污染物。

Description

K离子掺杂ZnO光催化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及K离子掺杂ZnO光催化材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着人类社会的发展，化石燃料的燃烧引发了一系列严重的环境问题，太阳能的获取和转化为可用能源已经成为人类社会的关键问题。光催化技术是一种可持续发展且环境友好的技术，是利用太阳光实现降解有机污染物，具有无二次污染、可循环再生等特点。近年来，金属与非金属复合材料受到了科研工作者的广泛关注。ZnO是一种低成本、低毒的金属氧化物半导体，具有良好的电子转移能力，在电磁辐照下可产生强氧化孔。尽管它有很多优点，但也有一定的局限性：光催化反应对可见光的响应较差，因为它的宽带隙(3.37eV)和光生电子空穴对的快速重组量子产率低，在可见光下对其光催化活性有很大的抑制作用。因此，提高氧化锌的光催化活性受到了国内外学者的广泛关注。掺杂是提高光催化性能的一种有效且简便的方法，因为掺杂可能引起比表面积的变化，掺杂离子的掺入会产生晶格缺陷和带隙能的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种K离子掺杂ZnO光催化材料及其制备方法，该方法易操作、简单、方便、成本低、条件温和、有利于大规模生产。
本发明采用的技术方案为：K离子掺杂ZnO光催化材料，制备方法如下：
1)将锌盐加入有机溶剂中，搅拌使其充分溶解；
2)搅拌下，将钾盐或钾碱加入锌盐溶液中，继续搅拌至钾盐或钾碱溶解；
3)将步骤2)所得混合液置于烘箱中烘干得前驱体；
4)将步骤3)所得前驱体进行高温煅烧处理，得K离子掺杂ZnO光催化材料。
进一步的，步骤1)中，所述锌盐为醋酸锌、硝酸锌或者氯化锌。
进一步的，步骤1)中，所述有机溶剂为甲醇或乙醇。
进一步的，步骤2)中，所述钾盐为氯化钾，所述钾碱为氢氧化钾。
进一步的，步骤2)中，K+的加入量为Zn2+摩尔量的1％-20％。
进一步的，步骤3)中，烘干温度为50-100℃。
进一步的，步骤4)中，高温煅烧处理，温度为300-600℃，时间为2-3h。
上述的K离子掺杂ZnO光催化材料在可见光下催化降解气体污染物中的应用。
进一步的，所述气体污染物是异丙醇。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的K离子掺杂ZnO光催化材料的制备方法，成功构建出掺杂结构，该结构更容易使光生电子-空穴有效分离，降低复合率，可以有效的提高光催化活性。
2.本发明所提供的制备方法，其原料廉价易得，操作简单方便，极大程度降低了成本，而且无毒、对环境无污染，实现了绿色化学。
3.本发明提供的K离子掺杂ZnO光催化材料，如图1所示，钾掺杂氧化锌会产生晶格缺陷和带隙能的变化，可以促进光催化活性，而且可以充当反应活性位点，还可以提高光催化材料的量子效率，捕获电子、抑制电子与空穴的复合，因此对提高光催化材料有重要的作用，本发明提供的K离子掺杂ZnO光催化材料在可见光下降解异丙醇产生丙酮的速率远高于ZnO。
附图说明
图1为K离子掺杂ZnO光催化材料的带隙能的变化及光催化机理图。
图2为实施例1制备的光催化剂的XRD对比图。
图3a为K-ZnO(6％)样品的EDX光谱。
图3b为K、Zn和O的能量色散。
图4为实施例1制备的光催化剂降解异丙醇生成丙酮气体浓度对比图。
图5为实施例1制备的光催化剂降解异丙醇生成丙酮气体速率对比图。
具体实施方式
实施例1
(一)K离子掺杂ZnO光催化材料
制备方法如下：
1)将0.44g(2mmol)醋酸锌倒入盛有20ml甲醇溶液的烧杯中，搅拌15min，使其充分溶解；
2)将氢氧化钾研磨成粉末。将2.24mg(0.04mmol)氢氧化钾(K+的摩尔量为Zn2+摩尔量的2％)倒入搅拌中的醋酸锌溶液中，继续搅拌至氢氧化钾溶解；
3)将步骤2)所得混合溶液置于烘箱中，80℃烘干，自然冷却后得前驱体；
4)将步骤3)所得前驱体进行研磨，然后以5℃/min的升温的速率升温至450℃高温煅烧2h，得K离子掺杂ZnO光催化材料K-ZnO。
5)按步骤1)至步骤4)同样的方法制备K+的摩尔量分别为Zn2+摩尔量的4％、6％、8％、10％的K离子掺杂ZnO光催化材料。
(二)对比例——纯ZnO光催化材料
制备方法如下：将0.44g醋酸锌倒入盛有20ml甲醇溶液的烧杯中，搅拌15min，使其充分溶解；之后放置烘箱中80℃烘干，得前驱体；将所得前驱体以5℃/min的升温的速率升温至450℃高温煅烧2h，得到纯ZnO光催化材料。
(三)检测
图2为制备的K离子掺杂ZnO光催化材料和纯ZnO光催化材料的XRD测试图，由图2可见，纯ZnO光催化材料样品的衍射峰与氧化锌标准卡的峰谱完全一致，说明制备的纯ZnO光催化材料的确为氧化锌。制备的不同掺杂量的K离子掺杂ZnO光催化材料样品具有和ZnO峰谱完全重合的衍射峰。由于掺杂量极少，XRD不能清晰扫描出关于K离子的衍射峰，所以对K-ZnO(6％)样品进行了元素分析，由图3所示，证明了本发明制备的K离子掺杂ZnO光催化材料的确有K离子掺杂。
实施例2应用
(一)不同催化剂对可见光下催化降解异丙醇的影响
测试过程为：以300W氙灯为光源，光电流调节为20A，调节光强中心正照射到样品表面，固定好位置，分别将实施例1制备的纯ZnO和不同K掺杂量制备的K-ZnO放于4cm2玻璃槽中，将载有光催化剂的玻璃槽分别放入内含一个大气压空气的224ml反应器中，最后向反应器中注入5ul异丙醇液体，光照20min之后开始计时，样品每隔20分钟抽取一针，记录降解异丙醇生成丙酮的峰面积。经过计算求出降解异丙醇生成丙酮的浓度变化点线图，如图4所示，本发明的K离子掺杂的K-ZnO复合光催化材料的丙酮生成浓度随时间在持续增加且都比纯的ZnO效果好。
图5是3次数据求得的降解异丙醇生成丙酮的速率平均值。由图4、图5可以看出本发明制备的K-ZnO复合光催化剂的催化活性比ZnO活性高许多，其中，K+的摩尔量为Zn2+摩尔量的6％获得的K离子掺杂ZnO光催化材料对异丙醇的降解效果是ZnO降解异丙醇速率的10.6倍左右。因此可以说明制备出来的K-ZnO光催化剂改变了氧化锌的带隙能结构，更有利于光生电子空穴的分离，可以提供更高的可见光催化活性。

Claims (9)

1.K离子掺杂ZnO光催化材料，其特征在于，制备方法如下：
1)将锌盐加入有机溶剂中，搅拌使其充分溶解；
2)搅拌下，将钾盐或钾碱加入锌盐溶液中，继续搅拌至钾盐或钾碱溶解；
3)将步骤2)所得混合液置于烘箱中烘干得前驱体；
4)将步骤3)所得前驱体进行高温煅烧处理，得K离子掺杂ZnO光催化材料K-ZnO。
2.如权利要求1所述的K离子掺杂ZnO光催化材料，其特征在于，步骤1)中，所述锌盐为醋酸锌、硝酸锌或者氯化锌。
3.如权利要求1所述的K离子掺杂ZnO光催化材料，其特征在于，步骤1)中，所述有机溶剂为甲醇或乙醇。
4.如权利要求1所述的K离子掺杂ZnO光催化材料，其特征在于，步骤2)中，所述钾盐为氯化钾，所述钾碱为氢氧化钾。
5.如权利要求1所述的K离子掺杂ZnO光催化材料，其特征在于，步骤2)中，K+的加入量为Zn2+摩尔量的1％-20％。
6.如权利要求1所述的K离子掺杂ZnO光催化材料，其特征在于，步骤3)中，烘干温度为50-100℃。
7.如权利要求1所述的K离子掺杂ZnO光催化材料，其特征在于，步骤4)中，高温煅烧处理，温度为300-600℃，时间为2-3h。
8.权利要求1所述的K离子掺杂ZnO光催化材料在可见光下催化降解气体污染物中的应用。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述气体污染物是异丙醇。
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