具有中空结构的氧化锌可见光催化材料及其制备方法与流程

本发明属于氧化锌可见光催化材料的合成技术领域，具体涉及一种具有中空结构的氧化锌可见光催化材料及其制备方法。

背景技术：

近年来的研究表明，相对于传统方法，半导体光催化剂能有效去除废水中的有机污染物，且具有反应速率快、适应范围广、操作简便和对生化性差的难降解有机废水有效等优点。以TiO₂为代表的半导体材料是最经典，也是研究最多的光催化剂。但由于TiO₂的禁带较宽为3.2eV，只能响应387nm以下的紫外光，对太阳光谱中占绝大部分的可见光则利用效率较低，从而限制了纳米TiO₂的工业化应用。因此，寻求可以有效利用可见光为能源的纳米光催化剂是光催化技术应用的一个重大挑战。

ZnO可以作为TiO₂的替代品，不仅具有与其相似的禁带宽度，而且在一些光催化降解实验中表现出比TiO₂更高的催化活性，吸引了国内外许多学者的研究兴趣。研制能够有效利用自然太阳光的纳米ZnO光催化剂，对于拓展纳米光催化技术降解废水污染物的工业化应用范围和节省废水处理能耗具有重大的现实意义和深远意义。

大量研究表明，不同的合成方法不仅影响ZnO的颗粒大小、形状及其晶型等结构形态特征，还会影响其光学性质及其催化活性。ZnO有多种形态，例如：圆柱形、针形、纳米管、哑铃形及中空球等。其中，具有中空结构的ZnO具有密度小、比表面积大和表面渗透性好等优点而获得广泛研究，众多研究者致力于利用具有中空结构的ZnO作为光催化剂以期得到较高的光催化降解能力和效果。目前中空结构ZnO的合成主要依赖于模板法，无论是硬模板还是软模板，内部模板的去除需要依靠煅烧或者溶解来实现，耗时较长，并且易产生二次污染。因此寻求一种新的合成具有中空结构的ZnO的方法对于中空材料的制备具有重要意义。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种合成工艺简单且光催化效果较好的具有中空结构的氧化锌可见光催化材料及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，具有中空结构的氧化锌可见光催化材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将5g乙酸锌溶于20mL去离子水中形成锌盐溶液，在超声频率为20-80KHz、超声功率为60-150W和超声温度为30-60℃的条件下将锌盐溶液加入到12.5mL氨水溶液中，其中氨水溶液由体积比为2:3的一水合氨和去离子水配制而成，继续超声1h形成胶体，过滤水洗，置于鼓风干燥箱中于120℃烘干，再置于玛瑙中研磨，然后于600℃高温煅烧1h得到具有中空结构的氧化锌可见光催化材料。

进一步优选，所述的超声频率优选为28KHz，超声功率优选为90W，超声温度优选为50℃，经过自然太阳光照射6h，制得的具有中空结构的氧化锌可见光催化材料对亚甲基蓝染料废水的去除率为98.74%。

本发明所述的具有中空结构的氧化锌可见光催化材料，其特征在于是由上述方法制备得到的。

本发明的合成原理为：超声波频率很高，超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞，即空化作用，这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强，利用超声的这种空化效应可以结合反应体系的温度和pH，调整制备材料的微观孔隙结构，从而获得性能优异的具有中空结构的氧化锌可见光催化材料。

本发明具有以下有益效果：采用一锅法制备出具有中空结构的氧化锌可见光催化材料，该氧化锌可见光催化材料在自然太阳光照射下对有机污染物的降解效率较高，合成工艺简单且光催化效果较好。

附图说明

图1是本发明在超声频率为28KHz、超声功率为90W和超声温度为50℃的超声条件下制备的氧化锌可见光催化材料的XRD图；

图2是本发明在超声频率为28KHz、超声功率为90W和超声温度为50℃的超声条件下制备的氧化锌可见光催化材料的SEM和TEM图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

首先用分析天平分别称5g乙酸锌于烧杯中，加入20mL去离子水，在搅拌器上搅拌使之完全溶解得到锌盐溶液，分别在超声频率为20KHz、28KHz、60KHz和80KHz，超声功率为90W，超声温度为50℃的超声条件下将上述锌盐溶液加入到12.5mL氨水溶液（按照体积比一水合氨:去离子水=2:3的比例配制）中，所得溶液呈弱碱性。在超声波中继续超声1h，待形成很好的胶体，过滤水洗，置于鼓风干燥箱中于120℃烘干，玛瑙中研磨，于600℃高温煅烧1h得到不同超声频率下制备的氧化锌可见光催化材料。经过自然太阳光照射6h，该氧化锌可见光催化材料对亚甲基蓝染料废水的去除率分别为95.42%、98.74%、97.21%和87.65%。

图1是在超声频率为28KHz、超声功率为90W和超声温度为50℃的超声条件下制备的氧化锌可见光催化材料的XRD图，由图可知，制备的样品的衍射峰强与六方纤维锌矿结构ZnO（国际衍射数据中心卡片JCPDS 36-1451）的标准图谱相一致，没有出现任何的杂质峰。

图2是在超声频率为28KHz、超声功率为90W和超声温度为50℃的超声条件下制备的氧化锌可见光催化材料的SEM（a, b）和TEM（c, d）图，由图可知，制备的纳米ZnO是空心的柱状结构，其柱状结构是由许多纳米颗粒堆积而成的中空结构。

实施例2

首先用分析天平分别称5g乙酸锌于烧杯中，加入20mL去离子水，在搅拌器上搅拌使之完全溶解得到锌盐溶液，在超声频率为28KHz，超声功率分别为60W、90W、120W和150W，超声温度为50℃的超声条件下将上述锌盐溶液加入到12.5mL的氨水溶液（按照体积比一水合氨:去离子水=2:3的比例配制）中，所得溶液呈弱碱性，在超声波中继续超声1h，待形成很好的胶体，过滤水洗，置于鼓风干燥箱中于120℃烘干，玛瑙中研磨，于600℃高温煅烧1h得到不同超声功率下制备的氧化锌可见光催化材料。经过自然太阳光照射6h，该氧化锌可见光催化材料对亚甲基蓝染料废水的去除率分别为97.12%、98.74%、95.83%和85.91%。

实施例3

首先用分析天平分别称5g乙酸锌于烧杯中，加入20mL去离子水，在搅拌器上搅拌使之完全溶解得到锌盐溶液，在超声频率为28KHz，超声功率为90W，超声温度分别为30℃、40℃、50℃和60℃的超声条件下将上述锌盐溶液加入到12.5mL的氨水溶液（按照体积比一水合氨:去离子水=2:3的比例配制）中，所得溶液呈弱碱性，在超声波中继续超声1h，待形成很好的胶体，过滤水洗，置于鼓风干燥箱中于120℃烘干，玛瑙中研磨，于600℃高温煅烧1h得到不同超声温度下制备的氧化锌可见光催化材料。经过自然太阳光照射6h，该氧化锌可见光催化材料对亚甲基蓝染料废水的去除率分别为85.79%、97.56%、98.74%和81.53%。

基于以上实施例，选取超声频率为28KHZ、超声功率为90W和超声温度为50℃时制得的氧化锌可见光催化材料的性能最优，通过进一步的表征研究，该条件下制备的氧化锌可见光催化材料是具有特殊中空结构的纳米棒。相比于传统的氧化锌光催化材料，该方法制得的氧化锌可见光催化材料能够响应自然太阳光，具有较好的可见光催化活性，并且具有制备方法简单、快速和无二次污染等优点。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。