CN114150338A - 一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法 - Google Patents

一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法。以导电玻璃为基底，通过水热法生长氧化锌纳米棒。将富氮前驱体和柠檬酸在空气中煅烧制备出氮掺杂氮化碳，利用旋涂法将氮掺杂氮化碳沉积到氧化锌纳米棒上，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌光阳极，记为NCN/ZnO。通过一步碱辅助超声工艺制备碳量子点溶液，将制得的NCN/ZnO电极置于碳量子点溶液中浸渍，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极。所述碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰于氧化锌纳米棒表面，显著改善氧化锌光阳极的光电化学性能。可应用于光电化学传感器构建以及光电化学分解水、光电催化降解有机污染物等领域。

Description

一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制 备方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，具体涉及一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法。
背景技术
太阳能作为一种可再生能源，具有资源丰富、廉价、清洁的特点，因此高效利用太阳能为解决世界能源危机和环境问题提供了可能途径。自1972年Fujishima和Honda首次发现TiO2光阳极能够光电催化分解水以来，半导体光电催化领域得到飞速发展，成为高效利用太阳能的热点和前沿技术领域。
氧化锌(ZnO)是一种宽禁带半导体材料，六方纤锌矿单晶结构，其激子束缚能高，化学性质稳定，具有良好的光电化学性能。而纳米效应改善了一维ZnO纳米材料的电学、光学性能，表现出载流子迁移率大、电阻率小、电子传输效率高、光俘获能力强等优异的光电化学性能，使其作为光阳极材料，在太阳能电池领域显示出广泛的应用前景。但由于受到ZnO禁带宽度限制，只能吸收紫外光，而紫外光在太阳光的总功率中只占5％左右，对光的利用率低。此外，由于表面缺陷引起的光生电子空穴复合，也极大限制了ZnO光阳极光电化学性能的提升。因此，如何增强纳米ZnO光阳极的光吸收能力，同时提高其光生电子空穴的分离效率，成为提高其光电化学性能的关键。
综上可知，研发一种成本低、方法简单、能显著提高氧化锌光阳极光电化学性能的合成方法，具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法，具有成本低、方法简单的优点，且所得氧化锌光阳极具有较好的光电化学分解水性能。
本发明的技术方案如下：
一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法，其特征在于，以锡掺杂的导电玻璃为基底，在其表面旋涂一层氧化锌晶种，通过水热法生长氧化锌纳米棒。将富氮前驱体和柠檬酸在空气中煅烧制备出氮掺杂氮化碳，将制得的氮掺杂氮化碳于乙醇中超声分散，利用旋涂法将氮掺杂氮化碳沉积到氧化锌纳米棒上，在空气中退火，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌光阳极，即NCN/ZnO。通过一步碱辅助超声工艺制备碳量子点溶液，将制得的NCN/ZnO电极置于碳量子点溶液中浸渍，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。具体包括如下步骤：
(1)配制乙酸锌的乙醇溶液，超声溶解；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴30～60μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2200～2800转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤8～12次，旋涂结束后在空气中退火；
(3)配制硝酸锌和六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在85～105℃下反应；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，超声40～80min，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴30～60μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2200～2800转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤3～7次，旋涂结束后在空气中退火，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制盐酸水溶液、葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液。将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声2～4h。用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到6～8，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B中浸渍6～12h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
进一步地，步骤(1)中乙酸锌的乙醇溶液浓度为0.01～0.05mol/L，超声时间为20～40min。
进一步地，步骤(2)中退火温度为300～400℃，退火时间为20～40min。
进一步地，步骤(3)中硝酸锌水溶液浓度为0.03～0.06mol/L，六亚甲基四胺水溶液浓度为0.03～0.06mol/L，水热反应时间为4～10h。
进一步地，步骤(5)中，所述的富氮前驱体为三聚氰胺、尿素中的一种，富氮前驱体的质量5～10g，柠檬酸的质量为5～10mg，煅烧温度为500～600℃，时间为2～6h，升温速率为1～4℃/min。
进一步地，步骤(6)中NCN的乙醇溶液浓度为0.25～2mg/mL，退火温度为300～400℃，退火时间为20～40min。
进一步地，步骤(7)中盐酸水溶液浓度为2～4mol/L，葡萄糖水溶液浓度为0.8～1.2mol/L，氢氧化钠水溶液浓度为0.8～1.2mol/L，混合液mix-A体积为100～200mL。
进一步地，步骤(8)中混合液mix-B的体积为100～200mL。
本发明的有益效果在于：
本发明的制备方法成本低、方法简单，所得氧化锌光阳极为纳米棒结构，在氮掺杂氮化碳和碳量子点共修饰后，制得的复合氧化锌光阳极具有更好的光吸收性能和光生电子空穴分离效率，且光电化学分解水性能得到明显提高，具有重要的科学意义和应用价值。
附图说明
图1为ZnO和CQDs/NCN/ZnO光阳极的XRD图，其中，(002)面为ZnO的特征衍射峰(JCPDS No.36-1451)。
图2a为制得的ZnO光阳极的微观照片，图2b为制得的CQDs/NCN/ZnO光阳极的微观照片。从扫描电镜图中可以看出ZnO具有棒状结构，块状氮掺杂氮化碳负载在氧化锌纳米棒表面，在碳量子点溶液浸渍处理后ZnO表面微观结构发生了明显的变化。
图3a为制得的ZnO和CQDs/NCN/ZnO光阳极的紫外可见漫反射光谱，从图中可以看到，与ZnO相比，CQDs/NCN/ZnO光阳极的光谱吸收带边出现了红移，在可见光区的吸收能力明显增强，说明碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰能有效提高ZnO光阳极的光吸收能力。图3b为制得的ZnO和CQDs/NCN/ZnO光阳极的光致发光光谱，从图中可以看出，CQDs/NCN/ZnO光阳极有着更低的峰信号强度，说明碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰有利于光生电子空穴对的转移，提高光生电子空穴分离效率。
图4为优化后的ZnO和CQDs/NCN/ZnO光阳极的光电化学分解水性能测试，即模拟太阳光下的线性扫描曲线。从图中可以看出，CQDs/NCN/ZnO光阳极的光电化学性能要显著优于ZnO光阳极。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案及其实施方法予以说明，但本发明的技术方案及其实施方法并不限于以下实施例。
实施例1
(1)配制50mL浓度为0.01mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解20min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴30μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2200转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤12次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为300℃，退火时间为20min；
(3)配制浓度为0.03mol/L硝酸锌和浓度为0.03mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在85℃下反应，水热反应时间为5h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为0.25mg/mL，超声40分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴30μLNCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2200转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤7次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为300℃，退火时间为20min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制2mol/L的盐酸水溶液、0.8mol/L的葡萄糖水溶液和0.8mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声2h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到6左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中6h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例2
(1)配制50mL浓度为0.02mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解30min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴40μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2300转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤11次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为350℃，退火时间为30min；
(3)配制浓度为0.04mol/L硝酸锌和浓度为0.04mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在85℃下反应，水热反应时间为6h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为0.5mg/mL，超声60分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴40μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2300转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤6次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为350℃，退火时间为30min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制3mol/L的盐酸水溶液、0.9mol/L的葡萄糖水溶液和0.9mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声3h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到7左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中8h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例3
(1)配制50mL浓度为0.03mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解40min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴50μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2400转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤10次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为380℃，退火时间为40min；
(3)配制浓度为0.05mol/L硝酸锌和浓度为0.05mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在85℃下反应，水热反应时间为8h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为1mg/mL，超声80分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴50μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2400转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤5次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为380℃，退火时间为40min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制4mol/L的盐酸水溶液、1mol/L的葡萄糖水溶液和1mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声4h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到8左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中12h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例4
(1)配制50mL浓度为0.04mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解20min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴30μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2500转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤11次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为400℃，退火时间为20min；
(3)配制浓度为0.06mol/L硝酸锌和浓度为0.06mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在95℃下反应，水热反应时间为4h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为2mg/mL，超声40分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴30μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2500转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤6次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为400℃，退火时间为20min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制2mol/L的盐酸水溶液、1.1mol/L的葡萄糖水溶液和1.1mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声2h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到6左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中6h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例5
(1)配制50mL浓度为0.05mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解30min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴40μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2200转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤12次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为300℃，退火时间为30min；
(3)配制浓度为0.03mol/L硝酸锌和浓度为0.03mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在95℃下反应，水热反应时间为6h：
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为0.25mg/mL，超声60分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴40μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2200转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤7次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为300℃，退火时间为30min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制3mol/L的盐酸水溶液、1.2mol/L的葡萄糖水溶液和1.2mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声3h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到7左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中8h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例6
(1)配制50mL浓度为0.01mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解40min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴50μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2300转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤8次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为350℃，退火时间为40min；
(3)配制浓度为0.04mol/L硝酸锌和浓度为0.04mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在95℃下反应，水热反应时间为8h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为0.5mg/mL，超声80分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴50μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2300转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤3次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为350℃，退火时间为40min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制4mol/L的盐酸水溶液、0.8mol/L的葡萄糖水溶液和0.8mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声4h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到8左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中10h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例7
(1)配制50mL浓度为0.02mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解20min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴40μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2400转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤9次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为380℃，退火时间为20min；
(3)配制浓度为0.05mol/L硝酸锌和浓度为0.05mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在105℃下反应，水热反应时间为4h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为1mg/mL，超声40分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴40μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2400转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤4次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为380℃，退火时间为20min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制2mol/L的盐酸水溶液、0.9mol/L的葡萄糖水溶液和0.9mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声2h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到6左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中6h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例8
(1)配制50mL浓度为0.03mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解30min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴40μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2500转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤10次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为400℃，退火时间为30min；
(3)配制浓度为0.06mol/L硝酸锌和浓度为0.06mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在105℃下反应，水热反应时间为6h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为2mg/mL，超声80分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴40μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2500转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤5次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为400℃，退火时间为30min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制3mol/L的盐酸水溶液、1mol/L的葡萄糖水溶液和1mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声3h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到7左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中8h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例9
(1)配制50mL浓度为0.03mol/L的乙酸锌乙醇溶液，超声溶解20min；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴50μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2300转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤11次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为350℃，退火时间为30min；
(3)配制浓度为0.05mol/L硝酸锌和浓度为0.05mol/L六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在95℃下反应，水热反应时间为6h；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，煅烧温度为550℃，时间为4h，升温速率为2℃/min，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，浓度为0.5mg/mL，超声60分钟，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴50μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2300转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤6次，旋涂结束后在空气中退火，退火温度为350℃，退火时间为30min，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制4mol/L的盐酸水溶液、1.1mol/L的葡萄糖水溶液和1.1mol/L的氢氧化钠水溶液，将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声4h，用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到8左右，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B浸渍中10h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
实施例10
CQDs/NCN/ZnO和ZnO光阳极的光电化学测试
将实施例9所制备的CQDs/NCN/ZnO和ZnO光阳极分别作为工作电极，以银/氯化银电极作为参比电极，铂片电极作为对电极，共同组成三电极体系，连接到电化学工作站上。在石英电解槽中加入50mL的0.5mol/L的Na2SO4溶液，采用线性扫描曲线的测试手段，测得CQDs/NCN/ZnO光阳极的光电流密度较ZnO光阳极，提高约82％(偏压1.23V vs.RHE)。因此，本发明碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法具有较好的实际应用价值。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法，其特征在于，以锡掺杂的导电玻璃为基底，在其表面旋涂一层氧化锌晶种，通过水热法生长氧化锌纳米棒。将富氮前驱体和柠檬酸在空气中煅烧制备出氮掺杂氮化碳，记为NCN。将制备出的氮掺杂氮化碳于乙醇中超声分散，利用旋涂法将氮掺杂氮化碳沉积到氧化锌纳米棒上，在空气中退火，制备出氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌光阳极，即NCN/ZnO。通过一步碱辅助超声工艺制备碳量子点溶液，将制备的NCN/ZnO电极置于碳量子点溶液浸渍，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极，即CQDs/NCN/ZnO，具体包括如下步骤：
(1)配制乙酸锌的乙醇溶液，超声溶解；
(2)将FTO导电玻璃依次用超纯水、异丙醇、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗干净，将其置于旋涂仪上，滴30～60μL步骤(1)中的溶液于FTO上，以2200～2800转/分钟的转速旋涂。重复上述旋涂步骤8～12次，旋涂结束后在空气中退火；
(3)配制硝酸锌和六甲基亚胺的水溶液，将步骤(2)中退火后得到的FTO玻璃置于聚四氟乙烯内胆水热反应釜中，加入配制的硝酸锌和六甲基亚胺水溶液，在85～105℃下反应；
(4)步骤(3)水热反应完成后，自然冷却到室温，将FTO玻璃用超纯水清洗干净，然后放置于氮气流中干燥制得氧化锌纳米棒光阳极；
(5)将富氮前驱体固体粉末和柠檬酸粉末均匀混合后置于坩埚中，同时用锡箔纸包裹置于马弗炉中，在空气中程序升温煅烧处理，然后自然冷却至室温，经研磨制得氮掺杂石墨相氮化碳固体粉末，即NCN；
(6)步骤(5)制得的NCN粉末分散到乙醇溶液中，超声40～80min，将步骤(4)制得的氧化锌纳米棒光阳极置于旋涂仪上，滴30～60μL NCN乙醇溶液于氧化锌纳米棒光阳极上，以2200～2800转/分钟的转速旋涂，重复上述旋涂步骤3～7次，旋涂结束后在空气中退火，制得氮掺杂氮化碳修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即NCN/ZnO；
(7)配制盐酸水溶液、葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液。将体积比为(1：1)葡萄糖水溶液和氢氧化钠水溶液混合搅拌均匀得到混合溶液mix-A，将mix-A超声2～4h。用盐酸水溶液将mix-A的pH值调节到6～8，记为溶液mix-B；
(8)步骤(6)中的NCN/ZnO光阳极置于步骤(7)制得的mix-B中浸渍6～12h，后在室温下干燥，制得碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌纳米棒光阳极，即CQDs/NCN/ZnO。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中乙酸锌的乙醇溶液浓度为0.01～0.05mol/L，超声时间为20～40min。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中退火温度为300～400℃，退火时间为20～40min。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中硝酸锌水溶液浓度为0.03～0.06mol/L；六亚甲基四胺水溶液浓度为0.03～0.06mol/L；水热反应时间为4～10h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的富氮前驱体为三聚氰胺、尿素中的一种，富氮前驱体的质量5～10g，柠檬酸的的质量为5～10mg，煅烧温度为500～600℃，时间为2～6h，升温速率为1～4℃/min。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中NCN的乙醇溶液浓度为0.25～2mg/mL，退火温度为300～400℃，退火时间为20～40min。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(7)中盐酸水溶液浓度为2～4mol/L，葡萄糖水溶液浓度为0.8～1.2mol/L，氢氧化钠水溶液浓度为0.8～1.2mol/L，混合液mix-A体积为100～200mL。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(8)中混合液mix-B的体积为100～200mL。
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