一种ZnS纳米片光催化剂薄膜的制备方法与流程

本发明属于无机光催化纳米材料技术领域，具体涉及到一种制备zns纳米薄膜光催化剂的制备方法。

背景技术：

近年来，很多工业(如纺织、印染等)每天大量排放出染料废水。而这些染料废水严重地影响了生态环境以及人们的身体健康。应用半导体光催化技术，在太阳光或紫外光源的照射下，可以将有机废水中的有害物质转化成co2、水等无害物质，从而达到治理废水的目的。因此，通过光催化反应治理染料废水具有非常广阔的应用前景。

纳米zns是高效半导体光催化剂的典型代表，其禁带宽度分3.68ev。在过去的几十年中，zns已被广泛用于光催化处理有机废水方面的研究。在紫外光照射下，zns受激产生电子-空穴对，高活性的空穴能分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基，而电子能使其周围的氧还原成活性离子氧，进而将吸附在催化剂表面的有机污染物分解成无二次污染的产物(如co2、h2o等)，从而达到除污目的。

目前，用于有机废水处理的纳米zns光催化剂主要是粉末产品。粉末状的光催化剂在使用过程中出现易团聚、易损失等现象，使用后存在难以与溶液分离以及难以循环使用等问题，这些缺点在一定程度上限制了它的实际应用。因此，人们通常选择一定的方法来实现zns在固体表面的固载，一般选用的载体为不锈钢、玻璃、石英及瓦片等。但是，载体的选择将影响催化剂的活性、均一性以及附载量；同时载体的结构也将影响光在体系中的传递过程和物质(如污染物和o2等)传递到催化剂表面的传质过程，所选固化光催化剂的方法一般为浸润法、化学气相沉积(cvd)法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法及喷雾热分解法等。在这些方法中，有些需要昂贵的仪器设备、精确的操作方法，有些在实现催化剂固化过程中需要大量的表面活性剂及复杂的操作步骤，为了解决上述问题，急需开发出简单、经济、环保的方法来制备高效的zns光催化薄膜。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种简单、经济、环保的方法来制备高效的zns光催化薄膜，本发明所提供的一种zns纳米片光催化剂薄膜的制备方法，具体步骤如下：

1)将锌片分别用蒸馏水和无水乙醇进行表面清洗后待用；

2)将0.01～0.03mol的硫脲溶解到10ml乙二胺中，然后转移至20ml反应釜中；再将经过步骤1)处理好的锌片放入高压釜中，并浸入到硫脲和乙二胺的混合溶液中；

3)将反应釜密封后，在90～140℃下加热10～14h；待冷却至室温后取出锌片，再分别用去离子水和无水乙醇洗涤；在室温条件下干燥；

4)将步骤3)中所取得的锌片在400～700℃氩气或氮气气氛下煅烧1～5h后，制备得到zns纳米片光催化剂薄膜。

本发明方法所得到的zns为矩形纳米片状结构，其平均维度为1μm，平均厚度为100nm。

本发明方法的优选条件如下：

步骤2)中所述硫脲为0.01～0.03mol；

步骤3)中反应釜在100～120℃反应12～14h；

步骤4)中锌片在400～500℃氩气或氮气气氛下煅烧时间为1～2h。

本发明的有益效果：

1、本发明采用溶剂热法及后序煅烧法，以金属锌片为基片和锌源制备zns纳米片光催化剂薄膜，所得产物尺寸均匀。本发明的制备过程简单，生产成本较低，原料廉价易得、生产工艺简单、操作方便，易于工业化生产。

2、锌片既是锌源，又是zns纳米片的生长基片，zns纳米片光催化剂的合成和负载同步进行；减少了反应过程中的不利影响因素，所以生成物不会引入杂质、纯度高。

3、本发明所得zns纳米片催化剂薄膜在紫外光下具有较高的活性，在光催化降解有机染料时具有使用方便、利于回收、可重复使用等优点，90min罗丹明-b降解率可达到97.3％以上。

附图说明

图1为本发明实施例1～3所得产物的x射线衍射(xrd)谱图。

图2为本发明实施例1所得产物的扫描电镜(sem)照片。

图3为本发明实施例1所得产物的扫描电镜(sem)照片。

图4a～图4c为本发明实施例1所得产物的x射线光电子能谱(xps)图。

图5为本发明实施例1～3所得产物随反应时间变化的降解率曲线。

具体实施方式

下面以具体实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。

实施例1

先将市售的纯度大于99.9％、面积为1cm×1cm金属锌片分别用蒸馏水和无水乙醇各超声清洗3次后待用。将0.02mol的硫脲溶解到10ml乙二胺中，将所述溶液转移至20ml反应釜中；再将已经处理的金属锌片放入高压釜中；将反应釜在100℃下保温10h；冷却后取出锌片，并分别用去离子水和无水乙醇洗涤，在室温条件下干燥。再将锌片在400℃氩气气氛下煅烧5h，制备得到zns纳米片光催化剂薄膜。

效果验证：附图1中曲线1为所得产物的x射线衍射图，由图1所示，所得产物衍射峰除了锌基片(jcpdsno.87-0713)的衍射峰外，其余各衍射峰的峰位分别与六方相zns(jcpdsno.36-1450)的标准卡片上的衍射峰位相吻合，且无杂相峰出现，说明产物为zns。附图2和附图3为本实施例所得产物的sem图。由图2和图3所示，本实施例所得产物的为矩形片状结构，其维度约为1μm，其平均厚度约为100nm。图4a～图4c为本实施例所得产物的xps图。如图4a～图4c所示，本实施例所得产物中同时存在zn、s、c、o四种元素。其中，c元素来自仪器本身，o来自样品在空气中吸附的h2o、或co2。本实施例以zns纳米片光催化剂薄膜在紫外光下降解罗丹明-b的降解率来评估所制催化剂的活性。图5中的曲线1为本实施例所得产物的可见光催化罗丹明-b降解率曲线，如图5所示，罗丹明-b溶液浓度：7mg/l；紫外灯主波长为365nm，功率为300w，反应时间为75min时，其降解率达到99.4％。

实施例2

先将市售的纯度大于99.9％、面积为1cm×1cm金属锌片分别用蒸馏水和无水乙醇各超声清洗3次后待用。将0.01mol的硫脲溶解到10ml乙二胺中，将所述溶液转移至20ml反应釜中；再将已经处理的金属锌片放入高压釜中；将反应釜在140℃下保温10h；冷却后取出锌片，并分别用去离子水和无水乙醇洗涤，在室温条件下干燥。再将锌片在500℃氩气气氛下煅烧3h，制备得到zns纳米片光催化剂薄膜。

效果验证：附图1中曲线2为所得产物的x射线衍射图，由图1所示，所得产物衍射峰除了锌基片(jcpdsno.87-0713)的衍射峰外，其余各衍射峰的峰位分别与六方相zns(jcpdsno.36-1450)的标准卡片上的衍射峰位相吻合，且无杂相峰出现，说明产物为zns。图5中的曲线2为本实施例所得产物的可见光催化罗丹明-b降解率曲线，如图5所示，罗丹明-b溶液浓度：7mg/l；紫外灯主波长为365nm，功率为300w，反应时间为90min时，其降解率达到99.1％。

实施例3

先将市售的纯度大于99.9％、面积为1cm×1cm金属锌片分别用蒸馏水和无水乙醇各超声清洗3次后待用。将0.03mol的硫脲溶解到10ml乙二胺中，将所述溶液转移至20ml反应釜中；再将已经处理的金属锌片放入高压釜中；将反应釜在90℃下保温14h；冷却后取出锌片，并分别用去离子水和无水乙醇洗涤，在室温条件下干燥。再将锌片在700℃氮气气氛下煅烧11h，制备得到zns纳米片光催化剂薄膜。

效果验证：附图1中曲线3为所得产物的x射线衍射图，由图1所示，所得产物衍射峰除了锌基片(jcpdsno.87-0713)的衍射峰外，其余各衍射峰的峰位分别与六方相zns(jcpdsno.36-1450)的标准卡片上的衍射峰位相吻合，且无杂相峰出现，说明产物为zns。图5中的曲线3为本实施例所得产物的可见光催化罗丹明-b降解率曲线，如图5所示，罗丹明-b溶液浓度：7mg/l；紫外灯主波长为365nm，功率为300w，反应时间为90min时，其降解率达到97.3％。

在实施例中的锌片既是锌源，又是zns纳米片的生长基片，zns纳米片光催化剂的合成和负载同步进行；反应试剂较少，降低了生产成本，同时产物不会引入杂质、纯度较高；所得催化剂高性较高，利于回收及重复使用。