本發(fā)明屬于氧化鋅可見(jiàn)光催化材料的合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)的研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，半導(dǎo)體光催化劑能有效去除廢水中的有機(jī)污染物，且具有反應(yīng)速率快、適應(yīng)范圍廣、操作簡(jiǎn)便和對(duì)生化性差的難降解有機(jī)廢水有效等優(yōu)點(diǎn)。以TiO₂為代表的半導(dǎo)體材料是最經(jīng)典，也是研究最多的光催化劑。但由于TiO₂的禁帶較寬為3.2eV，只能響應(yīng)387nm以下的紫外光，對(duì)太陽(yáng)光譜中占絕大部分的可見(jiàn)光則利用效率較低，從而限制了納米TiO₂的工業(yè)化應(yīng)用。因此，尋求可以有效利用可見(jiàn)光為能源的納米光催化劑是光催化技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

ZnO可以作為T(mén)iO₂的替代品，不僅具有與其相似的禁帶寬度，而且在一些光催化降解實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出比TiO₂更高的催化活性，吸引了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究興趣。研制能夠有效利用自然太陽(yáng)光的納米ZnO光催化劑，對(duì)于拓展納米光催化技術(shù)降解廢水污染物的工業(yè)化應(yīng)用范圍和節(jié)省廢水處理能耗具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)意義。

大量研究表明，不同的合成方法不僅影響ZnO的顆粒大小、形狀及其晶型等結(jié)構(gòu)形態(tài)特征，還會(huì)影響其光學(xué)性質(zhì)及其催化活性。ZnO有多種形態(tài)，例如：圓柱形、針形、納米管、啞鈴形及中空球等。其中，具有中空結(jié)構(gòu)的ZnO具有密度小、比表面積大和表面滲透性好等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛研究，眾多研究者致力于利用具有中空結(jié)構(gòu)的ZnO作為光催化劑以期得到較高的光催化降解能力和效果。目前中空結(jié)構(gòu)ZnO的合成主要依賴于模板法，無(wú)論是硬模板還是軟模板，內(nèi)部模板的去除需要依靠煅燒或者溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)，耗時(shí)較長(zhǎng)，并且易產(chǎn)生二次污染。因此尋求一種新的合成具有中空結(jié)構(gòu)的ZnO的方法對(duì)于中空材料的制備具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種合成工藝簡(jiǎn)單且光催化效果較好的具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料及其制備方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案，具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料的制備方法，其特征在于具體步驟為：將5g乙酸鋅溶于20mL去離子水中形成鋅鹽溶液，在超聲頻率為20-80KHz、超聲功率為60-150W和超聲溫度為30-60℃的條件下將鋅鹽溶液加入到12.5mL氨水溶液中，其中氨水溶液由體積比為2:3的一水合氨和去離子水配制而成，繼續(xù)超聲1h形成膠體，過(guò)濾水洗，置于鼓風(fēng)干燥箱中于120℃烘干，再置于瑪瑙中研磨，然后于600℃高溫煅燒1h得到具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的超聲頻率優(yōu)選為28KHz，超聲功率優(yōu)選為90W，超聲溫度優(yōu)選為50℃，經(jīng)過(guò)自然太陽(yáng)光照射6h，制得的具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)染料廢水的去除率為98.74%。

本發(fā)明所述的具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料，其特征在于是由上述方法制備得到的。

本發(fā)明的合成原理為：超聲波頻率很高，超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞，即空化作用，這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，利用超聲的這種空化效應(yīng)可以結(jié)合反應(yīng)體系的溫度和pH，調(diào)整制備材料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，從而獲得性能優(yōu)異的具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料。

本發(fā)明具有以下有益效果：采用一鍋法制備出具有中空結(jié)構(gòu)的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料，該氧化鋅可見(jiàn)光催化材料在自然太陽(yáng)光照射下對(duì)有機(jī)污染物的降解效率較高，合成工藝簡(jiǎn)單且光催化效果較好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明在超聲頻率為28KHz、超聲功率為90W和超聲溫度為50℃的超聲條件下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料的XRD圖；

圖2是本發(fā)明在超聲頻率為28KHz、超聲功率為90W和超聲溫度為50℃的超聲條件下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料的SEM和TEM圖。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)該將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

首先用分析天平分別稱5g乙酸鋅于燒杯中，加入20mL去離子水，在攪拌器上攪拌使之完全溶解得到鋅鹽溶液，分別在超聲頻率為20KHz、28KHz、60KHz和80KHz，超聲功率為90W，超聲溫度為50℃的超聲條件下將上述鋅鹽溶液加入到12.5mL氨水溶液（按照體積比一水合氨:去離子水=2:3的比例配制）中，所得溶液呈弱堿性。在超聲波中繼續(xù)超聲1h，待形成很好的膠體，過(guò)濾水洗，置于鼓風(fēng)干燥箱中于120℃烘干，瑪瑙中研磨，于600℃高溫煅燒1h得到不同超聲頻率下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料。經(jīng)過(guò)自然太陽(yáng)光照射6h，該氧化鋅可見(jiàn)光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)染料廢水的去除率分別為95.42%、98.74%、97.21%和87.65%。

圖1是在超聲頻率為28KHz、超聲功率為90W和超聲溫度為50℃的超聲條件下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料的XRD圖，由圖可知，制備的樣品的衍射峰強(qiáng)與六方纖維鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO（國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心卡片JCPDS 36-1451）的標(biāo)準(zhǔn)圖譜相一致，沒(méi)有出現(xiàn)任何的雜質(zhì)峰。

圖2是在超聲頻率為28KHz、超聲功率為90W和超聲溫度為50℃的超聲條件下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料的SEM（a, b）和TEM（c, d）圖，由圖可知，制備的納米ZnO是空心的柱狀結(jié)構(gòu)，其柱狀結(jié)構(gòu)是由許多納米顆粒堆積而成的中空結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

首先用分析天平分別稱5g乙酸鋅于燒杯中，加入20mL去離子水，在攪拌器上攪拌使之完全溶解得到鋅鹽溶液，在超聲頻率為28KHz，超聲功率分別為60W、90W、120W和150W，超聲溫度為50℃的超聲條件下將上述鋅鹽溶液加入到12.5mL的氨水溶液（按照體積比一水合氨:去離子水=2:3的比例配制）中，所得溶液呈弱堿性，在超聲波中繼續(xù)超聲1h，待形成很好的膠體，過(guò)濾水洗，置于鼓風(fēng)干燥箱中于120℃烘干，瑪瑙中研磨，于600℃高溫煅燒1h得到不同超聲功率下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料。經(jīng)過(guò)自然太陽(yáng)光照射6h，該氧化鋅可見(jiàn)光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)染料廢水的去除率分別為97.12%、98.74%、95.83%和85.91%。

實(shí)施例3

首先用分析天平分別稱5g乙酸鋅于燒杯中，加入20mL去離子水，在攪拌器上攪拌使之完全溶解得到鋅鹽溶液，在超聲頻率為28KHz，超聲功率為90W，超聲溫度分別為30℃、40℃、50℃和60℃的超聲條件下將上述鋅鹽溶液加入到12.5mL的氨水溶液（按照體積比一水合氨:去離子水=2:3的比例配制）中，所得溶液呈弱堿性，在超聲波中繼續(xù)超聲1h，待形成很好的膠體，過(guò)濾水洗，置于鼓風(fēng)干燥箱中于120℃烘干，瑪瑙中研磨，于600℃高溫煅燒1h得到不同超聲溫度下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料。經(jīng)過(guò)自然太陽(yáng)光照射6h，該氧化鋅可見(jiàn)光催化材料對(duì)亞甲基藍(lán)染料廢水的去除率分別為85.79%、97.56%、98.74%和81.53%。

基于以上實(shí)施例，選取超聲頻率為28KHZ、超聲功率為90W和超聲溫度為50℃時(shí)制得的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料的性能最優(yōu)，通過(guò)進(jìn)一步的表征研究，該條件下制備的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料是具有特殊中空結(jié)構(gòu)的納米棒。相比于傳統(tǒng)的氧化鋅光催化材料，該方法制得的氧化鋅可見(jiàn)光催化材料能夠響應(yīng)自然太陽(yáng)光，具有較好的可見(jiàn)光催化活性，并且具有制備方法簡(jiǎn)單、快速和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。