一种微波水热制备ZnGa₂O₄单晶的方法

专利名称：一种微波水热制备ZnGa₂O₄单晶的方法
技术领域：
本发明属于材料科学领域，具体涉及一种具有光催化性能的ZnGa2O4单晶的制备方法。
背景技术：
在染料废水处理方面，半导体光催化剂有着潜在的应用前景。最近，研究发现p型半导体有着较强且持久的光催化性能，一些宽禁带的P型半导体甚至能用于水的分解和空气净化。ZnGa2O4作为一种宽禁带的p型半导体，其应用前景比较广泛，可以应用于场发射显示器、阴极射线发光材料；同时在光催化方面，介孔ZnGa2O4用于CO2的光还原，成功地实现了将CO2转化为碳氢化合物燃料；在染料废水降解中，ZnGa2O4表现出优异的光催化活性。目前，制备ZnGa2O4的方法有固相法、溶胶凝胶法、无机前驱体法、水热法等。固相反应法所需温度较高，在 1200°C左右烧成[Kim JS, Park HL, Kim GC. et al. Luminescenceenhancement of ZnGa2O4:Mn2+by Ge4+and Li+ doping[J]. Solid State Communications,2003,126(9) :515-518];于敏等人以柠檬酸为络合剂，采用溶胶凝胶法合成了 ZnGa2O4粉体并表征了其发光性能[于敏，林君，周永慧等.柠檬酸-凝胶法合成ZnGa2O4 Mn2+/Eu3+及其发光性能的研究[J].发光学报，2002，23 (3) :287-290. ]Lu等人采用无机前驱体法制备了捕球状 ZnGa2O4 材料[Lu Zou, Xu Xiang, Min Wei, et al. Single-CrystallineZnGa2O4Spinel Phosphor via a Single-Source Inorganic Precursor Route[J].InorgnicChemistry Article, 2008,47 (6) :1361-1369];李朝建等人采用水热法制备了棒状和小颗粒状ZnGa2O4材料[李朝建，黄可龙，全玉等.pH值对水热法制备ZnGa2O4粉体的影响[J].功能材料与器件学报，2006，12 (5) =456-460]；这些方法的实验周期较长，且操作复杂，工艺过程不易控制，重复性差，而微波水热法综合了水热法和微波加热的优点，可在低温短时间下，合成目标产物。

发明内容
本发明的目的在于提供一种设备成本低，操作简单，且能在液相中一次完成，不需后期热处理的具有光催化性能的微波水热制备ZnGa2O4单晶的方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是步骤一将分析纯的氧化镓(Ga2O3)溶解于0. 1-lmol/L盐酸中，不断搅拌制成Ga离子浓度为0. l-2mol/L的悬浮液A ;步骤二 将乙酸锌(Zn(CH3COO)2)加入在蒸馏水中并不断搅拌，配制成Zn离子浓度为0. 1-lmol/L的透明溶液B ;
步骤三将悬浮液A与透明溶液B按Zn Ga = I 1_4的摩尔比混合并搅拌均匀，然后向混合溶液中按Zn+Ga 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) = I 0. 3_1的摩尔比加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，用分析纯的氢氧化钠(NaOH)调节溶液的pH = 9-13，充分搅拌30_120min得溶液C ；
步骤四将溶液C置于水热反应釜中，控制填充比为40% -60%，将其放入温压双控微波水热反应仪，选择控温模式，温控温度为140-180°C，反应时间为l_4h，反应结束后自然冷却至室温；步骤五取出水热反应釜，将釜中产物离心过滤，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3-8次，放入60-100°C烘箱干燥3-5h即得到ZnGa2O4单晶。本发明采用微波水热法，利用微波迅速高效的加热方式，提供了一种原料易得，设备成本低，操作简单，实验周期较短的的ZnGa2O4单晶的制备方法。所制备的ZnGa2O4单晶晶型完整，尺寸均匀，具有优异的光催化性能，其在90min内对染料的降解率可以达到93-98%。


图I为实施例I制备的ZnGa2O4单晶的XRD衍射图。图中 为ZnGa2O4单晶的衍射峰。图2为实施例I制备的ZnGa2O4单晶的扫描电镜照片。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。实施例I :步骤一将分析纯的氧化镓(Ga2O3)溶解于0.2mol/L盐酸中，不断搅拌制成Ga离子浓度为0. lmol/L的悬浮液A ;步骤二 将乙酸锌(Zn(CH3COO)2)加入在蒸馏水中并不断搅拌，配制成Zn离子浓度为0. 4mol/L的透明溶液B ;步骤三将悬浮液A与透明溶液B按Zn Ga = I I的摩尔比混合并搅拌均匀，然后向混合溶液中按Zn+Ga 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) = I 0. 3的摩尔比加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，用分析纯的氢氧化钠(NaOH)调节溶液的pH = 9，充分搅拌30min得溶液C ；步骤四将溶液C置于水热反应釜中，控制填充比为40 %，将其放入温压双控微波水热反应仪，选择控温模式，温控温度为140°C，反应时间为lh，反应结束后自然冷却至室温；步骤五取出水热反应釜，将釜中产物离心过滤，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3次，放入60°C烘箱干燥5h即得到ZnGa2O4单晶。将得到的ZnGa2O4样品进行光催化实验，其在90min内对染料的降解率可以达到93%。将所得的ZnGa2O4单晶用日本Rigaku公司生产D/max2200PC型x射线衍射仪测定，结果如图I所示，得到结晶性较好的纯相ZnGa2O4晶体，发现产物的JCPDS卡号为38-1240，属于立方晶系。该样品的微观形貌采用JSM-6390A型扫描电子显微镜进行观察，结果为图2，从图中可以看出所制备的为ZnGa2O4单晶的平均尺寸大约为lum。
实施例2 :步骤一将分析纯的氧化镓(Ga2O3)溶解于0. lmol/L盐酸中，不断搅拌制成Ga离子浓度为0. 5mol/L的悬浮液A ；步骤二 将乙酸锌(Zn(CH3COO)2)加入在蒸馏水中并不断搅拌，配制成Zn离子浓度为0. lmol/L的透明溶液B ;步骤三将悬浮液A与透明溶液B按Zn Ga = I 2的摩尔比混合并搅拌均匀，然后向混合溶液中按Zn+Ga 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) = I 0. 5的摩尔比加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，用分析纯的氢氧化钠(NaOH)调节溶液的pH = 10，充分搅拌60min得溶液C ；步骤四将溶液C置于水热反应釜中，控制填充比为40 %，将其放入温压双控微波水热反应仪，选择控温模式，温控温度为160°C，反应时间为2h，反应结束后自然冷却至室温;步骤五取出水热反应釜,将釜中产物离心过滤,然后用去离子水和无水乙醇分别清洗6次,放入80°C烘箱干燥4h即得到ZnGa2O4单晶。将得到的ZnGa2O4样品进行光催化实验，其在90min内对染料的降解率可以达到98%。实施例3 :步骤一将分析纯的氧化镓(Ga2O3)溶解于0. 6mol/L盐酸中，不断搅拌制成Ga离子浓度为lmol/L的悬浮液A ；步骤二 将乙酸锌(Zn(CH3COO)2)加入在蒸馏水中并不断搅拌，配制成Zn离子浓度为0. 5mol/L的透明溶液B ;步骤三将悬浮液A与透明溶液B按Zn Ga = I 3的摩尔比混合并搅拌均匀，然后向混合溶液中按Zn+Ga 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) = I 0. 8的摩尔比加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，用分析纯的氢氧化钠(NaOH)调节溶液的pH = 12，充分搅拌90min得溶液C ；步骤四将溶液C置于水热反应釜中，控制填充比为50%，将其放入温压双控微波水热反应仪，选择控温模式，温控温度为170°C，反应时间为3h，反应结束后自然冷却至室温；步骤五取出水热反应釜,将釜中产物离心过滤,然后用去离子水和无水乙醇分别清洗8次，放入100°C烘箱干燥3h即得到ZnGa2O4单晶。将得到的ZnGa2O4样品进行光催化实验，其在90min内对染料的降解率可以达到96%。实施例4 :步骤一将分析纯的氧化镓(Ga2O3)溶解于lmol/L盐酸中，不断搅拌制成Ga离子浓度为2mol/L的悬浮液A ；步骤二 将乙酸锌(Zn(CH3COO)2)加入在蒸馏水中并不断搅拌，配制成Zn离子浓度为lmol/L的透明溶液B ;步骤三将悬浮液A与透明溶液B按Zn Ga = I 4的摩尔比混合并搅拌均匀，然后向混合溶液中按Zn+Ga 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) =1:1的摩尔比加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，用分析纯的氢氧化钠(NaOH)调节溶液的pH = 13，充分搅拌120min得溶液C ；步骤四将溶液C置于水热反应釜中，控制填充比为60 %，将其放入温压双控微波水热反应仪，选择控温模式，温控温度为180°C，反应时间为4h，反应结束后自然冷却至室温； 步骤五取出水热反应釜,将釜中产物离心过滤,然后用去离子水和无水乙醇分别清洗8次，放入100°C烘箱干燥3h即得到ZnGa2O4单晶。将得到的ZnGa2O4样品进行光催化实验，其在90min内对染料的降解率可以达到95%。
权利要求
1. 一种微波水热制备ZnGa2O4单晶的方法，其特征在于 步骤一将分析纯的氧化镓(Ga2O3)溶解于0. 1-lmol/L盐酸中，不断搅拌制成Ga离子浓度为0. l-2mol/L的悬浮液A ; 步骤二 将乙酸锌(Zn(CH3COO)2)加入在蒸馏水中并不断搅拌，配制成Zn离子浓度为0. 1-lmol/L的透明溶液B ; 步骤三将悬浮液A与透明溶液B按Zn : Ga = I : 1-4的摩尔比混合并搅拌均匀，然后向混合溶液中按Zn+Ga 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) = I 0.3-1的摩尔比加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，用分析纯的氢氧化钠(NaOH)调节溶液的pH = 9-13，充分搅拌30-120min得溶液C ; 步骤四将溶液C置于水热反应釜中，控制填充比为40% -60%，将其放入温压双控微波水热反应仪，选择控温模式，温控温度为140-180°C，反应时间为l_4h，反应结束后自然冷却至室温； 步骤五取出水热反应釜，将釜中产物离心过滤，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗3-8次，放入60-100°C烘箱干燥3-5h即得到ZnGa2O4单晶。
全文摘要
一种微波水热制备ZnGa2O4单晶的方法，将氧化镓溶解于盐酸中得悬浮液A；将乙酸锌加入在蒸馏水中得透明溶液B；将悬浮液A与透明溶液B混合后加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)得溶液C；将溶液C置于水热反应釜中，选择控温模式反应，反应结束后自然冷却至室温；取出水热反应釜，将釜中产物离心过滤，然后用去离子水和无水乙醇分别清洗，放入烘箱干燥即得到ZnGa2O4单晶。本发明采用微波水热法，利用微波迅速高效的加热方式，提供了一种原料易得，设备成本低，操作简单，实验周期较短的ZnGa2O4单晶的制备方法。所制备的ZnGa2O4单晶晶型完整，尺寸均匀，具有优异的光催化性能，其在90min内对染料的降解率可以达到93-98％。
文档编号C30B29/26GK102618927SQ20121011291
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者刘亮亮, 吴建鹏, 曹丽云, 王开通, 费杰, 黄剑锋 申请人:陕西科技大学