CN112108141A - 一种氧化锌微米棒压电催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种氧化锌微米棒压电催化剂及其制备方法与应用，利用乙酸锌作为锌盐，六亚甲基四胺作为碱源，通过水热方法制备得到氧化锌微米棒。所得到的氧化锌微米棒由于其压电性能和棒状结构，能够吸收周边环境中的机械能产生压电效应，在其表面产生载流子，从而驱动降解废水中的污染物。该方法为处理水污染提供了新的途径，可以充分利用环境中的废能如噪声、水流等治理污水，而不需要其他能量的补充。该方法操作简单，成本低，重复性好，适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于压电催化技术领域，特别涉及氧化锌微米棒压电催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
工业社会的快速发展，使得人们面临日益严峻的环境污染问题，其中工业产生的废水中含有大量的有机污染物质，这些有害污染物对生物健康造成巨大的危害。光催化材料可以在一定能量光波的激发下产生电子空穴对，载流子迁移到材料表面可以与表面吸附物质发生氧化还原反应。利用这一特性，光催化材料可以应用于降解有机污染物、光解水产氢等领域。然而，光催化材料在水污染处理的应用依然面临许多问题，包括：（1）太阳光是光催化材料最理想的激发光源，但是大部分光催化材料只对太阳光谱中比例较小的紫外光响应，从而导致太阳光利用率较低；（2）光催化材料需要在光照条件下才能发挥作用，限制了其应用范围和场景，无法全天候进行催化反应；（3）一些光催化材料稳定性较差，在经过一段时间的使用之后会发生光氧化的现象。
氧化锌是一种紫外光响应的半导体光催化材料，同时也是一种应用广泛的压电材料，当一根 ZnO 纳米棒受到沿径向方向的横向应力时，晶体结构内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的静态电荷，这些分布在表面和界面的电荷同样可以催化降解有机污染物。因此利用氧化锌这一压电特性，在搅拌、超声、水流等外部能量作用下，可以将机械能装换为化学能，实现催化降解污水中的有机污染物。
发明内容
解决的技术问题：本申请主要是提出一种氧化锌微米棒压电催化剂及其制备方法与应用，解决现有技术中存在的太阳光利用率较低、稳定性较差、无法全天候进行催化反应等技术问题，所制备的氧化锌为微米级的棒状结构，可以在超声、搅拌等机械能作用下实现降解有机污染物，而不需要光源。
技术方案：
一种氧化锌微米棒压电催化剂，所述氧化锌微米棒的长度为4~12 µm，直径为1~4 µm，其晶体结构为六方纤锌矿型。
一种氧化锌微米棒压电催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
第一步：按摩尔比1:1~1:2称取锌盐和碱源；
第二步：以去离子水为反应溶剂，将锌盐和碱源溶于去离子水中，在25℃下搅拌60min得到混合均匀的水溶液；
第三步：将水溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中水热法反应；
第四步：反应结束后，用去离子水洗涤样品；
第五步：最后在200℃空气中煅烧2h，制得所述氧化锌微米棒压电催化剂。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锌盐为乙酸锌，所述锌盐为乙酸锌。
作为本发明的一种优选技术方案：所述碱源为六亚甲基四胺。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步水热法的反应温度为60~120 ℃，反应时间为8~15 h。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第四步去离子水洗涤后的样品在60℃真空干燥12h。
本发明还公开了一种氧化锌微米棒压电催化剂在水污染处理中的应用。
作为本发明的一种优选技术方案：所述氧化锌微米棒压电催化剂能够在声波驱动下降解有机污染物。
作为本发明的一种优选技术方案：所述催化降解时，催化剂的浓度为0.5~1.5 mg/mL；声波的强度为0.5~1.5 W/cm2。
作为本发明的一种优选技术方案：所述有机污染物如罗丹明B有机溶液。
有益效果：本申请所述氧化锌微米棒压电催化剂及其制备方法与应用采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、氧化锌微米棒压电催化材料的制备工艺简单，原料来源广泛，成本低廉，有利于大规模生产应用。
2、氧化锌微米棒压电催化降解有机污染物，摆脱了氧化锌作为光催化材料对紫外光源的依赖，压电催化的外部能量来源广泛，比如城市中的噪声、水流、水波等，拓宽了其使用范围和场景。
3、在压电势的作用下，原本光催化性能不好的材料却表现出优异的压电催化性能。
4、压电催化性能比光催化性能稳定。
5、当压电势/光协同作用于材料时，材料的催化性能被大大提高。
附图说明
图1为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中氧化锌微米棒材料的扫描电镜图。
图2为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中氧化锌微米棒材料的XRD图。
图3为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中氧化锌微米棒材料多次循环使用的催化降解性能图。
图4为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中ZnO-360的透射电镜图。
图5为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中氧化锌微米棒材料压电催化图。
图6为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中氧化锌微米棒材料光催化图。
图7为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中氧化锌微米棒材料压电-光催化图。
图8为本申请一种氧化锌微米棒压电催化剂中氧化锌微米棒材料ZnO-360光催化循环图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明专利提供有附图，这些附图为本发明专利揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明专利的优点。下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
实施例1
如图1-2所示，氧化锌微米棒压电催化剂，用超声波将3 g乙酸锌和2 g六亚甲基四胺溶解于120 ml去离子水中，在25℃下搅拌60 min，将得到的水溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中90 ℃保温12 h；反应结束后，用去离子水洗涤样品，60℃真空干燥12 h，最后在200 ℃空气中煅烧2 h得到氧化锌微米棒压电催化剂。
利用制备的压电催化材料降解100 mL浓度为10 mg/L的罗丹明B水溶液。在黑暗的条件下将0.2 g氧化锌压电催化材料置于罗丹明B水溶液中， 1 h后达到吸附-解吸附平衡。使用超声清洗机作为机械能来源，声波强度设置为1 W/cm2，经过2 h超声处理后，利用紫外可见分光光度计测定水溶液中残余的罗丹明B浓度。结果表明所制备的氧化锌微米棒材料具有良好的催化效果，罗丹明B降解率达到90%。对该样品进行4次循环实验，样品保持95%以上的光催化活性，具有较好的重复使用性。
所述氧化锌微米棒由的长度为4~12 µm，直径为1~4 µm，其晶体结构为六方纤锌矿型。
实施例2
如图1-2所示，氧化锌微米棒压电催化剂，用超声波将3 g乙酸锌和3 g六亚甲基四胺溶解于240 ml去离子水中，在25℃下搅拌60 min，将得到的水溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中90 ℃保温12 h；反应结束后，用去离子水洗涤样品，60℃真空干燥12 h，最后在200 ℃空气中煅烧2 h得到氧化锌微米棒压电催化剂。
利用制备的压电催化材料降解100 mL浓度为10 mg/L的罗丹明B水溶液。在黑暗的条件下将0.2 g氧化锌压电催化材料置于罗丹明B水溶液中， 1 h后达到吸附-解吸附平衡。使用超声清洗机作为机械能来源，声波强度设置为1 W/cm2，经过2 h超声处理后，利用紫外可见分光光度计测定水溶液中残余的罗丹明B浓度。结果表明所制备的氧化锌微米棒材料具有良好的催化效果，罗丹明B降解率达到95%。对该样品进行4次循环实验，样品保持95%以上的光催化活性，具有较好的重复使用性。
所述氧化锌微米棒由的长度为4~12 µm，直径为1~4 µm，其晶体结构为六方纤锌矿型。
实施例3
如图1-2所示，氧化锌微米棒压电催化剂，用超声波将3 g乙酸锌和4 g六亚甲基四胺溶解于360 ml去离子水中，在25℃下搅拌60 min，将得到的水溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中90 ℃保温12 h；反应结束后，用去离子水洗涤样品，60℃真空干燥12 h，最后在200 ℃空气中煅烧2 h得到氧化锌微米棒压电催化剂。
利用制备的压电催化材料降解100 mL浓度为10 mg/L的罗丹明B水溶液。在黑暗的条件下将0.2 g氧化锌压电催化材料置于罗丹明B水溶液中， 1 h后达到吸附-解吸附平衡。使用超声清洗机作为机械能来源，声波强度设置为1 W/cm2，经过2 h超声处理后，利用紫外可见分光光度计测定水溶液中残余的罗丹明B浓度。结果表明所制备的氧化锌微米棒材料具有良好的催化效果，罗丹明B降解率达到98%。对该样品进行4次循环实验，样品保持95%以上的光催化活性，具有较好的重复使用性。
所述氧化锌微米棒由的长度为4~12 µm，直径为1~4 µm，其晶体结构为六方纤锌矿型。
以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氧化锌微米棒压电催化剂，其特征在于：所述氧化锌微米棒由的长度为4~12 µm，直径为1~4 µm，其晶体结构为六方纤锌矿型。
2.一种权利要求1所述氧化锌微米棒压电催化剂的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
第一步：按摩尔比1:1~1:2称取锌盐和碱源；
第二步：以去离子水为反应溶剂，将锌盐和碱源溶于去离子水中，在25℃下搅拌60min得到混合均匀的水溶液；
第三步：将水溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中水热法反应；
第四步：反应结束后，用去离子水洗涤样品；
第五步：最后在200℃空气中煅烧2h，制得所述氧化锌微米棒压电催化剂。
3.根据权利要求2所述氧化锌微米棒压电催化剂的制备方法，其特征在于：所述锌盐为乙酸锌。
4.根据权利要求2所述的氧化锌微米棒压电催化剂的制备方法，其特征在于：所述碱源为六亚甲基四胺。
5.根据权利要求2所述氧化锌微米棒压电催化剂的制备方法，其特征在于：所述第三步水热法的反应温度为60~120 ℃，反应时间为8~15 h。
6.根据权利要求2所述氧化锌微米棒压电催化剂的制备方法，其特征在于：所述第四步去离子水洗涤后的样品在60℃真空干燥12h。
7.一种权利要求1所述氧化锌微米棒压电催化剂在水污染处理中的应用。
8.根据权利要求7所述的氧化锌微米棒压电催化剂在水污染处理中的应用，其特征在于：所述氧化锌微米棒压电催化剂能够在声波驱动下降解有机污染物。
9.根据权利要求7所述的氧化锌微米棒压电催化剂在水污染处理中的应用，其特征在于：所述催化降解时，催化剂的浓度为0.5~1.5 mg/mL；声波的强度为0.5~1.5 W/cm2。
10.根据权利要求7所述的氧化锌微米棒压电催化剂在水污染处理中的应用，其特征在于：所述有机污染物如罗丹明B有机溶液。
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| CN202010878095.2A Pending CN112108141A (zh) | 2020-08-27 | 2020-08-27 | 一种氧化锌微米棒压电催化剂及其制备方法与应用 |
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| CN (1) | CN112108141A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112607763A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-04-06 | 昆明理工大学 | 一种水热法可控制备多形貌微纳米氧化锌的方法 |
| CN113368844A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-09-10 | 南京信息工程大学 | 一种氧化锌微米棒及其制备方法与应用 |
| CN113582716A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-11-02 | 苏州金宏气体股份有限公司 | 钴掺杂ZnO压电陶瓷、其制法及高纯制氢 |
| CN115121257A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-09-30 | 苏州大学 | 一种铜掺杂氧化锌纳米棒、制备方法及其在压电-光催化去除有机污染物中的应用 |
| CN116273103A (zh) * | 2023-02-17 | 2023-06-23 | 南京信息工程大学 | 一种氧化锌-MXene复合热释电催化剂的制备方法及其应用 |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103894171A (zh) * | 2012-12-26 | 2014-07-02 | 吉林师范大学 | 一种花簇状氧化锌微米结构光催化剂的制备方法 |
| CN110614102A (zh) * | 2019-10-25 | 2019-12-27 | 福州大学 | 一种氯掺杂氧化锌纳米棒的制备及应用 |
-
2020
- 2020-08-27 CN CN202010878095.2A patent/CN112108141A/zh active Pending
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| Title |
|---|
| 刘淑洁: "水热法制备六方柱状ZnO微晶的形貌、结构与光催化性能", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 * |
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