ZnO‑CdS复合材料及其制备方法和应用与流程
本发明属于纳米新材料技术领域，具体涉及一种ZnO-CdS复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
ZnO是具有高激子束缚能的宽带隙半导体材料，它具有无毒、生物相容性好、电化学活性高和电子传输能力强等优点，近年来被广泛地应用到太阳能电池、传感器、气体传感器等领域。但是ZnO的宽带隙仅允许其吸收紫外光，这限制了一般光源的利用。目前的ZnO材料不能有效提高对光源的利用率以及对化学物质的光降解能力。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种对污染物具有优异的光降解能力的ZnO-CdS复合材料，本发明同时提供其制备方法和应用。
本发明所述的ZnO-CdS复合材料是：CdS纳米颗粒沉积在ZnO纳米颗粒表面。
其中：
CdS纳米颗粒粒径为18～22nm，优选20nm，ZnO纳米颗粒为纺锤状，长度为380～420nm，优选400nm。
所述的ZnO-CdS复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Zn(NO3)2·6H2O的去离子水溶液与NH4F去离子水溶液混合得到前体溶液，向前体溶液中滴加NaOH水溶液，开始时形成白色沉淀，滴加至溶液半透明，48～52℃搅拌浑浊9.5～10.5小时，离心，获得白色沉淀，去离子水、乙醇洗涤，最后于55～65℃下干燥，过夜，得到ZnO纳米颗粒；
(2)将获得的ZnO纳米颗粒加入到溶解有Cd(NO3)2·4H2O和硫脲的去离子水溶液中形成悬浮液，于85～95℃下，沉积0.4～0.6小时后，离心，获得ZnO-CdS产物，去离子水洗涤，于75～85℃下干燥。
优选如下步骤：
(1)将Zn(NO3)2·6H2O的去离子水溶液与NH4F去离子水溶液混合得到前体溶液，向前体溶液中滴加NaOH水溶液，开始时形成白色沉淀，滴加至溶液半透明，50℃搅拌浑浊10小时，离心，获得白色沉淀，去离子水、乙醇洗涤，最后于60℃下干燥，过夜，得到ZnO纳米颗粒；
(2)将获得的ZnO纳米颗粒加入到溶解有Cd(NO3)2·4H2O和硫脲的去离子水溶液中形成悬浮液，于90℃下，沉积0.5小时后，离心，获得ZnO-CdS产物，去离子水洗涤，于80℃下干燥。
Zn(NO3)2·6H2O去离子水溶液的摩尔浓度为0.25mol/L。
NH4F去离子水溶液的摩尔浓度为2.0mol/L。
NaOH水溶液的摩尔浓度为2.0mol/L。
Zn(NO3)2·6H2O去离子水溶液、NH4F去离子水溶液、NaOH去离子水溶液中使用的去离子水的体积比为2:1:1。
Cd(NO3)2·4H2O在溶解有Cd(NO3)2·4H2O和硫脲的去离子水溶液中的摩尔浓度为0.01mol/L。
硫脲在溶解有Cd(NO3)2·4H2O和硫脲的去离子水溶液中的摩尔浓度为0.01mol/L。
溶解有Cd(NO3)2·4H2O和硫脲的去离子水溶液中的去离子水与ZnO的体积质量比为5:2，去离子水以mL计，ZnO的质量以mg计。
所述的ZnO-CdS复合材料的应用是：用于降解罗丹明B和亚甲基蓝。
本发明的有益效果如下：
本发明在ZnO纳米颗粒表面选择性地沉积CdS纳米颗粒，合成一种提升光降解特性的新型复合材料ZnO-CdS。CdS纳米颗粒与污染物之间存在敏化光反应，ZnO纳米颗粒在光照下空穴发生氧化反应产生羟基游离基，导带电子与吸附氧发生还原反应产生强氧化剂，污染物可被氧化或被羟基攻击。由于ZnO和CdS的能级结构相匹配，该复合材料能够增加光吸收范围，有利于电子-空穴对的分离，进而有效提高了对光照的利用率以及对污染物的光降解能力。
附图说明
图1为ZnO-CdS复合材料的光催化机理图。
图2为实施例1制备的ZnO扫描电镜图。
图3为实施例1制备的ZnO-CdS扫描电镜图。
图4为实施例1中的X射线衍射谱图；
其中：A为ZnO；B为ZnO-CdS。
图5为实施例1制备的ZnO-CdS用于降解罗丹明B的紫外可见吸收光谱图。
图6为实施例1制备的ZnO-CdS用于降解亚甲基蓝的紫外可见吸收光谱图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
1.4875g的Zn(NO3)2·6H2O溶解于20mL去离子水，0.7408g NH4F溶于10mL去离子水，0.8002g NaOH溶于10mL去离子水。通过将Zn(NO3)2·6H2O去离子水溶液与NH4F去离子水溶液混合得到前体溶液，然后逐滴加入NaOH去离子水溶液。当滴加少量NaOH去离子水溶液时，立即形成白色沉淀，进一步滴加全部剩余的NaOH去离子水溶液后，部分溶解，溶液变得半透明。然后在50℃恒定搅拌下浑浊10小时。通过离心收获白色沉淀，随后用去离子水和乙醇洗涤，最后在60℃干燥，过夜，得到ZnO纳米颗粒；
将0.2364g Cd(NO3)2·4H2O和0.0761g硫脲溶于100mL去离子水中与40mgZnO纳米颗粒混合，以形成悬浮液。在90℃的油浴中沉积0.5小时后，通过离心收集ZnO-CdS产物，并用去离子水洗涤以除去可溶性离子杂质，样品在烘箱中80℃下干燥。
对比例1
1.4875g的Zn(NO3)2·6H2O溶解于20mL去离子水，0.7408g NH4F溶于10mL去离子水，0.8002g NaOH溶于10mL去离子水。通过将Zn(NO3)2·6H2O去离子水溶液与NH4F去离子水溶液混合得到前体溶液，然后逐滴加入NaOH去离子水溶液。当滴加少量NaOH去离子水溶液时，立即形成白色沉淀，进一步滴加全部剩余的NaOH去离子水溶液后，部分溶解，溶液变得半透明。然后在50℃恒定搅拌下浑浊10小时。通过离心收获白色沉淀，随后用去离子水和乙醇洗涤，最后在60℃干燥，过夜，得到ZnO纳米颗粒；
将0.2364g Cd(NO3)2·4H2O和0.0761g硫脲溶于100mL去离子水中与20mgZnO纳米颗粒混合，以形成悬浮液。在90℃的油浴中沉积0.5小时后，通过离心收集ZnO-CdS产物，并用去离子水洗涤以除去可溶性离子杂质，样品在烘箱中80℃下干燥。
对比例2
1.4875g的Zn(NO3)2·6H2O溶解于20mL去离子水，0.7408g NH4F溶于10mL去离子水，0.8002g NaOH溶于10mL去离子水。通过将Zn(NO3)2·6H2O去离子水溶液与NH4F去离子水溶液混合得到前体溶液，然后逐滴加入NaOH去离子水溶液。当滴加少量NaOH去离子水溶液时，立即形成白色沉淀，进一步滴加全部剩余的NaOH去离子水溶液后，部分溶解，溶液变得半透明。然后在50℃恒定搅拌下浑浊10小时。通过离心收获白色沉淀，随后用去离子水和乙醇洗涤，最后在60℃干燥，过夜，得到ZnO纳米颗粒；
将0.2364g Cd(NO3)2·4H2O和0.0761g硫脲溶于100mL去离子水中与60mgZnO纳米颗粒混合，以形成悬浮液。在90℃的油浴中沉积0.5小时后，通过离心收集ZnO-CdS产物，并用去离子水洗涤以除去可溶性离子杂质，样品在烘箱中80℃下干燥。
对比例3
1.4875g的Zn(NO3)2·6H2O溶解于20mL去离子水，0.7408g NH4F溶于10mL去离子水，0.8002g NaOH溶于10mL去离子水。通过将Zn(NO3)2·6H2O去离子水溶液与NH4F去离子水溶液混合得到前体溶液，然后逐滴加入NaOH去离子水溶液。当滴加少量NaOH去离子水溶液时，立即形成白色沉淀，进一步滴加全部剩余的NaOH去离子水溶液后，部分溶解，溶液变得半透明。然后在100℃恒定搅拌下浑浊10小时。通过离心收获白色沉淀，随后用去离子水和乙醇洗涤，最后在60℃干燥，过夜，得到ZnO纳米颗粒；
将0.2364g Cd(NO3)2·4H2O和0.0761g硫脲溶于100mL去离子水中与40mgZnO纳米颗粒混合，以形成悬浮液。在90℃的油浴中沉积0.5小时后，通过离心收集ZnO-CdS产物，并用去离子水洗涤以除去可溶性离子杂质，样品在烘箱中80℃下干燥。
通过CdS纳米颗粒选择性的沉积到ZnO纳米颗粒表面上，设计合成了具有光催化性能的纺锤状ZnO-CdS复合材料用以对污染物的降解。复合材料的光催化机理如图1所示，CdS纳米颗粒通过吸附沉积到ZnO表面，ZnO-CdS复合材料能显著提升光的使用效率，CdS和ZnO之间的位置有一个II型结构，ZnO的导带边缘位于CdS的导带和价带之间，当CdS纳米颗粒受可见光激发时，光电子会转移到ZnO的导带而产生电子-空穴对，这样的一个II型结构促进了光电载流子的分离。
图2、图3分别是ZnO，ZnO-CdS电镜图。图2中，ZnO是具有很大比表面积的纺锤状纳米颗粒，颗粒长度在400nm左右。图3中，ZnO较为平坦的表面结构被模糊化，粒径保持不变，可以清楚地观察到粒径在20nm左右的CdS纳米颗粒沉积在ZnO表面。
图4A是纺锤状ZnO纳米颗粒的XRD测试结果，对比图中的峰，与ZnO(JCPDS 36-1451)的纤锌矿结构的标准数据相匹配，并且没有检测到额外的峰，这表明合成的ZnO产物具有极好的纯度。通过对比图4B ZnO-CdS纳米颗粒的XRD图，可以明显地看出，除了ZnO的衍射峰外，衍射角2θ＝26.79°，44.08°和51.75°分别对应于立方晶型CdS(JCPDS 65-3414)，表明样品由ZnO，CdS两部分组成。
实施例2
制备的ZnO-CdS用于降解罗丹明B
在容器中取100ml浓度为8μg/ml的罗丹明B溶液，加入10mg的ZnO-CdS避光搅拌1小时。然后在300W氙灯下照射，从0分钟开始取样，每隔5分钟取样，取8个，再每隔10分钟取样，取两个，最后每隔20分钟取样，取3个。
将所取样品依次进行紫外检测，结果如图5所示。
实施例3
制备的ZnO-CdS用于降解亚甲基蓝
在容器中取100ml浓度为8μg/ml的亚甲基蓝溶液，加入10mg的ZnO-CdS避光搅拌1小时。然后在300W氙灯下照射，从0分钟开始取样，每隔5分钟取样，取8个，再每隔10分钟取样，取两个，最后每隔20分钟取样，取3个。
将所取样品依次进行紫外检测，结果如图6所示。
通过图5和图6可以观察到，罗丹明B和亚甲基蓝的特征峰均出现了明显的下降，这证明在光照条件下，ZnO-CdS纳米材料对于罗丹明B和亚甲基蓝有明显的降解作用，因此该材料具有提升的光降解能力。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！