[发明专利]一种炭基氧化锌纳米球复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭基氧化锌纳米球复合材料及其制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.37eV，激子结合能为60meV，同时具备了发射蓝光或近紫外光的优越条件。目前，ZnO在微电子、太阳能电池窗口材料、微传感器等方面得到了广泛应用，而且在光催化、降解有机染料以及污水处理等方面也日益得到重视。但是由于较差的表面吸附性能和较小的比表面积，单一氧化锌材料存在严重的光腐蚀问题，因而极大降低了它的光催化性能。研究表明，ZnO球状结构具有更高的光催化性能。此外，对于悬浮于反应体系中的粉末状的氧化锌催化剂，分离和回收十分困难。因此利用一定的固体物做载体，将催化剂固定化，并提高其催化效果是氧化锌利用亟待解决的问题之一。

迄今为止，已经有人尝试了用沸石、石英玻璃基底、铝片、砂子等作为载体，采用溶胶-凝胶法或共沉淀法使氧化锌负载其上，制备复合光催化剂。由于活性炭具有其他材料无法取代的性质，如比表面积大、孔隙结构发达、热导率高、耐磨性好等，活性炭负载氧化锌的复合材料同样显示出较高的光催化性能。这主要是由于活性炭具有较高的比表面积和发达的孔隙结构，吸附性能较强。将氧化锌附载于活性炭表面，不仅提高了复合材料的比表面，还可通过其与载体之间较强的相互作用而得到特异性光催化性质，从而提高氧化锌利用率。

目前，炭基氧化锌复合材料的制备主要有微乳液法和浸渍法。尽管这些方法可以成功将纳米氧化锌颗粒附载于多孔炭基材料表面，但在制备过程中需要高温煅烧，增加了材料制备成本。此外多孔活性炭材料表面附载氧化锌主要以纳米颗粒为主，纳米管等二维纳米结构较少，对其比表面积的提高仍有一定限度。如果能在炭基材料表面直接生长，附载氧化锌二维、三纳米结构，可极大提高其比表面积和反应活性。但由于炭基材料成分复杂，表面凹凸不平，存在众多活性位点，使得调控氧化锌有序纳米结构的生长比较困难。所以，寻求直接在炭基材料表面生长氧化锌二维、三维纳米结构的合成方法显得尤为重要。

发明内容

针对上述缺陷，本发明通过对炭基材料进行适当处理，采用水热法成功在炭基材料表面制备ZnO纳米球复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种炭基氧化锌纳米球复合材料，是由去矿物化炭基材料和氧化锌纳米片组成的球状结构，其氧化锌纳米球的直径为4-10um。

本发明还提供上述炭基氧化锌纳米球复合材料的制备方法，将炭基材料经去矿物质化处理后浸入混合溶液中，经水浴合成后即可。

在上述制备方法中，所述炭基材料经去矿物质化处理包括如下步骤：

1）分别配制氢氟酸溶液及盐酸溶液；

2）称取筛分后的炭基材料投入氢氟酸溶液中加热，过滤，并使用去离子水冲洗；

3）将步骤2）所得炭基材料投入盐酸中冷凝回流，过滤，并使用去离子水煮沸洗涤，至无法检测到Cl-；

4）将步骤3）所得炭基材料分别放入乙醇、NaOH溶液中浸泡4-8h。

在步骤1）中，所述氢氟酸质量分数为20-30%，优选25%；所述盐酸质量分数为15-45%，优选15%。

在步骤2）中，所述加热温度为50-90℃，优选80℃，时间1-3h。

在步骤3）中，所述冷凝回流温度为50-90℃，优选80℃，时间1-3h。

在步骤4）中，所述NaOH溶液为0.05-0.2mol/L，优选0.08-0.12mol/L。

在上述制备方法中，所述炭基材料选自半焦、活性半焦、活性炭中的一种。

在上述制备方法中，所述混合溶液由硝酸锌与六次甲基四胺按比例配制而成。

其中，所述硝酸锌浓度为0.01-0.3mol/L，优选0.05-0.2mol/L，进一步优选0.1mol/L。

所述硝酸锌与六次甲基四胺摩尔比为0.2-5:1，优选0.5-1.5:1，进一步优选1:1；

所述水浴合成条件为：温度70-100℃，优选80-95℃；时间1-5h，优选2-4h。

需要注意的是，在去矿物质化炭基材料投入混合溶液前，需先将混合溶液升温至所需水浴温度，再投加去矿物质化炭基材料进行水浴合成反应。