一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明采取一種簡(jiǎn)單的包覆再煅燒的方法來(lái)合成多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，首先以2?甲基咪唑與ZnO納米顆粒為原料構(gòu)建ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，再將獲得的材料煅燒，獲得在ZnO表面負(fù)載一層多孔碳納米復(fù)合材料。即獲得多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料；所制備的材料在降解有機(jī)染料領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】
一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于材料化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及到一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]由于環(huán)境污染物嚴(yán)重破壞了生態(tài)的平衡，如何有效清除排放出來(lái)的污染物變得尤為重要。ZnO作為一種新型的光催化劑，由于其具有合成過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、催化活性高且不會(huì)造成二次污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，在光催化降解工業(yè)有機(jī)污染物得以廣泛應(yīng)用。然而，在光催化過(guò)程中，ZnO的光生電子和空穴的快速結(jié)合是困擾或者阻礙其光催化效率提高的一個(gè)重要原因。
[0003]多孔碳納米材料(PCN)能夠提高材料的吸附性能、穩(wěn)定性和抗腐蝕性，從而經(jīng)常被用于構(gòu)造異質(zhì)結(jié)構(gòu)。ZnO與PCN的結(jié)合可以克服ZnO本身存在的缺陷。PCN本身具有電導(dǎo)性，能捕獲和傳遞電子，因此，用PCN修飾的ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是一種分離光生電子和空穴的理想材料。Samp1等人通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備出了 Zn0/C復(fù)合材料，并應(yīng)用于降解苯酚，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)多孔碳修飾ZnO復(fù)合材料展現(xiàn)出了超高的光降解活性。另有文獻(xiàn)報(bào)道氮摻雜可以提高碳材料的催化性能。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種采用多孔材料包覆和煅燒技術(shù)相結(jié)合，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，同時(shí)具有卓越的物化性能的多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料，所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
[0006](1)稱取ZnO納米顆粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜(簡(jiǎn)稱反應(yīng)釜)中，量取混合溶劑加至上述反應(yīng)釜中，超聲20?30min，密封反應(yīng)釜，置于恒溫烘箱中于90?150°C保溫反應(yīng)10?48h;
[0007](2)反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫后，取出反應(yīng)釜，離心分離出沉淀物，并分別用無(wú)水乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物，標(biāo)記為ZIF-8@Zn0;
[0008](3)將上述ZIF-8@Zn0在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C /min的升溫速率升至500?900°C，在此溫度下保溫反應(yīng)1?3h;
[0009](4)煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離，干燥，即可獲得所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。[〇〇1〇] 優(yōu)選地，所述步驟(1)中的ZnO顆粒與2-甲基咪卩坐的反應(yīng)摩爾比為1:1?3;
[0011]優(yōu)選地，所述步驟(1)中的混合溶劑為N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和水的混合而成， DMF與水的體積比為3?1:1。
[0012]進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種所述多孔碳包覆Zn〇納米復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0013](1)稱取ZnO納米顆粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中， 量取混合溶劑加至上述高壓反應(yīng)釜中，超聲20?30min，密封高壓反應(yīng)釜，置于恒溫烘箱中于90?150°C保溫反應(yīng)10?48h;
[0014](2)反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫后，取出高壓反應(yīng)釜，離心分離出沉淀物，并分別用無(wú)水乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物，標(biāo)記為ZIF-8@Zn0;[〇〇15](3)將上述ZIF-8@Zn0在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C /min的升溫速率升至500?900°C，在此溫度下保溫反應(yīng)1?3h;
[0016](4)煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離，干燥，即可獲得所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。
[0017]本發(fā)明的制備方法是通過(guò)構(gòu)建2-甲基咪唑多孔材料包覆ZnO的核殼結(jié)構(gòu)，輔以煅燒技術(shù)獲得一種ZnO表面負(fù)載一層多孔碳納米復(fù)合材料，即多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料，
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:[〇〇19]1、反應(yīng)原料均為常見(jiàn)且價(jià)格較低的化合物，ZnO納米顆粒作為模板為提供Zn2+離子，促使2-甲基咪唑在ZnO表面組裝成框架結(jié)構(gòu)；
[0020]2、本發(fā)明采用簡(jiǎn)單包覆再煅燒的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了在ZnO納米顆粒表面包覆一層多孔碳材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲得了一種粒徑均一，分散性良好的多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料， 并且該材料具有優(yōu)異的吸附性能以及光降解催化性能，在降解廢水中的有機(jī)污染物(如:洗滌劑、化妝用品、涂料、增塑劑、藥物、有機(jī)染料、農(nóng)藥、油類等)方面具有廣闊的應(yīng)用前景；
[0021]3、本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單，且設(shè)備投資少，同時(shí)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)任何污染，符合可持續(xù)發(fā)展要求?！靖綀D說(shuō)明】[〇〇22]圖1為本發(fā)明的多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料透射電鏡圖?！揪唧w實(shí)施方式】[〇〇23]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。[〇〇24] 實(shí)施例1
[0025]稱取ZnO納米顆粒(0 ? 325g，4mmol)，2_甲基咪卩坐(0 ? 328g，4mmol)加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，隨后加入32mL混合溶劑(由DMF和水混合，Vdmf: %= 3:1)，超聲 30min后，置于恒溫烘箱中于90°C保溫反應(yīng)48h，反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫取出反應(yīng)釜，通過(guò)離心分離出沉淀物，將沉淀物分別用無(wú)水乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物， 標(biāo)記為ZIF-8@Zn0，將上述ZIF-8@Zn0在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C/min的升溫速率升至500°C，在此溫度下保溫反應(yīng)3h，煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離，干燥，即可獲得所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。用透射電鏡觀察上述復(fù)合材料的形貌，如圖1所示。
[0026]實(shí)施例2
[0027]稱取ZnO納米顆粒(0 ? 325g，4mmol)，2_甲基咪卩坐(0.492g，6mmol)加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，隨后加入40mL DMF和水混合溶劑(Vdmf:V水=1:1))，超聲20min后，置于恒溫烘箱中于150°C保溫反應(yīng)10h，反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫取出反應(yīng)釜，通過(guò)離心分離出沉淀物，并分別用無(wú)水乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物，標(biāo)記為ZIF-8@ZnO，將上述ZIF-8@ZnO在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C /min的升溫速率升至700°C，在此溫度下保溫反應(yīng)2h，煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離，干燥，即可獲得所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。[〇〇28] 實(shí)施例3[〇〇29] 稱取ZnO納米顆粒(0.325g，4mmol)，2-甲基咪唑(0.984g，12mmol)加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中；隨后加入60mLDMF和水混合溶劑(Vdmf:V水=2:1)，超聲30min 后，置于恒溫烘箱中于130°C保溫反應(yīng)24h;反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫取出反應(yīng)釜，離心分離出沉淀物，并分別用無(wú)水乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物，標(biāo)記為ZIF-80 ZnO，將上述ZIF-8@Zn0在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C/min的升溫速率升至 900°C，在此溫度下保溫反應(yīng)lh，煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離， 干燥，即可獲得所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。
[0030] 實(shí)施例4[〇〇31 ] 稱取ZnO納米顆粒(0.325g，4mmol)，2-甲基咪卩坐(0.410g，5mmol)加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中；隨后加入40mL混合溶劑(由DMF和水混合，Vdmf: V水=3:1);超聲 20min后，置于恒溫烘箱中于110°C保溫反應(yīng)32h;反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫取出反應(yīng)釜，離心分離出沉淀物，并分別用無(wú)水乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物，標(biāo)記為 ZIF-8@Zn0;將上述ZIF-8@Zn0在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C/min的升溫速率升至800°C，在此溫度下保溫反應(yīng)2h;煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離，干燥，即可獲得所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料，其特征在于，所述多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料 的制備方法包括以下步驟:(1)稱取ZnO納米顆粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，量取 混合溶劑加至上述高壓反應(yīng)釜中，超聲20?30min，密封高壓反應(yīng)釜，置于恒溫烘箱中于90 ?150°C保溫反應(yīng)10?48h;(2)反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫后，取出高壓反應(yīng)釜，離心分離出沉淀物，并分別用無(wú)水 乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物，標(biāo)記為ZIF-8@ZnO;(3)將上述ZIF-8@ZnO在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C/min的升溫速率升 至500?900°C，在此溫度下保溫反應(yīng)1?3h;(4)煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離，干燥，即可獲得所述多孔 碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料，其特征在于，所述步驟(1) 中的ZnO納米顆粒與2-甲基咪卩坐的反應(yīng)摩爾比為1:1?3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料，其特征在于，所述步驟(1) 中的混合溶劑為N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和水的混合而成，DMF與水的體積比為3?1:1。4.一種如權(quán)利要求1所述的一種多孔碳包覆ZnO納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，包括以下步驟:(1)稱取ZnO納米顆粒和2-甲基咪唑加入到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，量取 混合溶劑加至上述高壓反應(yīng)釜中，超聲20?30min，密封高壓反應(yīng)釜，置于恒溫烘箱中于90 ?150°C保溫反應(yīng)10?48h;(2)反應(yīng)結(jié)束自然冷卻至室溫后，取出高壓反應(yīng)釜，離心分離出沉淀物，并分別用無(wú)水 乙醇和去離子水多次洗滌，干燥，得到固體產(chǎn)物，標(biāo)記為ZIF-8@ZnO;(3)將上述ZIF-8@ZnO在管式爐中于N2氛圍下煅燒，煅燒過(guò)程中以5 °C/min的升溫速率升 至500?900°C，在此溫度下保溫反應(yīng)1?3h;(4)煅燒之后得到黑色固體粉末，用去離子水清洗，離心分離，干燥，即可獲得所述多孔 碳包覆ZnO納米復(fù)合材料。
【文檔編號(hào)】B01J23/06GK105964238SQ201610600408
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日
【發(fā)明人】李星, 趙亞云, 劉素娟
【申請(qǐng)人】寧波大學(xué)