铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的制备方法，包括以下步骤:配置1‑1000mmol/L的铌锌醇溶液和0.01‑0.1mg/mL的碱液，混合搅拌30‑120分钟，进行水解沉淀反应，获得悬浊液；将所述悬浊液离心收集粉末，用二次去离子水和无水乙醇交替洗涤，放入干燥箱在50‑60℃温度下干燥；将所述干燥后的粉末在300‑550℃温度下预晶化处理0‑300分钟后，在400‑700℃温度下，氨气气氛中保温30‑300分钟，即得。本发明专利技术制备工艺流程简单，大大降低了材料制备过程中的操作要求，适合工业化的推广。本发明专利技术还提供一种铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料及其应用。

【技术实现步骤摘要】
铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料及其制备方法和应用
本专利技术属于无机非金属纳米材料制备与净水环境保护
，具体为一种铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料及其制备方法和应用。
技术介绍
能源危机及环境污染是当今时代人类所面临的两大难题，光催化技术因为能有效利用太阳能，几乎可以将任何有机分子氧化，矿化为二氧化碳和无机离子，在降解水中的有机污染物，杀灭水中细菌、病毒等微生物方面受到人们的广泛关注。在众多的光催化剂中，一些宽禁带的n型半导体如二氧化钛、氧化锌、氧化锡等因低毒、廉价、稳定性高和环境友好型等特点被广泛的应用于光解水制氢、太阳能电池和环境修复等领域。如何实现宽禁带半导体光催化剂的可见光响应，是提高太阳能利用率的一个重要方向，同时也是光催化材料设计的一个热点研究方向。常用的方法是往宽禁带半导体中引进杂质能级，改变宽禁带半导体的缺陷类型，进而拓宽本体材料的光吸收范围，实现整体材料的可见光以及红外波段的太阳光响应。非金属元素氮元素的掺杂，往往被认为能实现宽禁带半导体的可见光吸收，如二氧化钛、氧化锌等。但是，现有的技术手段大多采用在含氮源的气氛下(如氮气、氨气等)热处理的方法来实现材料的氮掺杂，对于常见的宽禁带半导体氧化锌来说，由于其自身缺陷化学的复杂性以及晶体结构的特殊性，导致了氧化锌氮掺杂的不稳定性，往往得不到理想的氮掺杂效果。因此，通过材料组成的设计，引入另外掺杂元素往往能改变本体氧化物材料体系的缺陷类型，从而促进另一元素的掺杂以及其掺杂后的稳定性。在二氧化钛体系的研究中，已有不少共掺杂的技术来促进非金属元素的掺杂以及实现材料的可见光吸收。因此，从缺陷化学的角度上分析，也可通过往氧化锌体系中引入高价态的掺杂元素，增加材料体系的氧空位，从而促进非金属元素的掺杂，提高整个掺杂体系的稳定性。另外，为了便于工业化推广以及日益复杂的环保需求，开发一种简单可行的具有理想掺杂效果的氧化锌基光催化材料，进一步拓宽氧化锌基光催化剂的太阳光响应，是环境修复材料领域以及太阳能利用领域一个重要的研究方向。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种具有理想掺杂效果的氧化锌基光催化材料。所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的制备方法，包括以下步骤:配置1-1000mmol/L的铌锌醇溶液和0.01-0.1mg/mL的碱液，混合搅拌30-120分钟，进行水解沉淀反应，获得悬浊液；将所述悬浊液离心收集粉末，用二次去离子水和无水乙醇交替洗涤，放入干燥箱在50-60℃温度下干燥；将所述干燥后的粉末在300-550℃温度下预晶化处理0-300分钟后，在400-700℃温度下，氨气气氛中保温30-300分钟，获得所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料。进一步地，所述铌锌醇溶液是将氯化锌和氯化铌溶于所述醇溶液中制得，其中所述氯化铌中铌原子与所述氯化锌锌原子比为(0.1-1):20。进一步地，所述铌锌醇溶液中醇溶液选自甲醇、乙醇、丙醇和丁醇的一种或几种。进一步地，所述碱液为氢氧化钠或氢氧化钾的乙醇溶液。进一步地，所述预晶化处理是在含有氧气的气氛下进行。本专利技术还提供一种铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料，所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料为纤锌矿结构，其中，铌与锌的原子比为(0.1-1):20。进一步地，所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料具有可见光以及红外波段的光响应。本专利技术还提供一种上述的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料在可见光催化净化水中有机污染物中的应用。本专利技术通过用醇溶液体系进行水解沉淀，克服了普通水解沉淀下杂质元素容易不均匀，晶粒尺寸过大的缺点；通过预晶化的技术手段，保证了铌掺杂技术手段对后续非金属元素氮掺杂的促进作用；铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料实现了宽禁带半导体氧化锌的可见光响应，直接应用于太阳光下有机污染物的净化；制备工艺流程简单，大大降低了材料制备过程中的操作要求，适合工业化的推广。附图说明图1为本专利技术一实施例提供的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的制备方法流程图。图2为本专利技术一实施例提供的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的X射线衍射图谱。图3为本专利技术一实施例提供的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的光吸收特性。图4为本专利技术实施例1提供的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料和对比例1中提供的氧化锌基光催化材料对大肠杆菌的光催化杀灭曲线对比图。如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式为了简明清楚地进行说明，在恰当的地方，相同的标号在不同图式中被重复地用于标示对应的或相类似的元件。此外，为了提供对此处所描述实施例全面深入的理解，说明书中会提及许多特定的细节。然而，本领域技术人员可以理解的是此处所记载的实施例也可以不按照这些特定细节进行操作。在其他的一些情况下，为了不使正在被描述的技术特征混淆不清，一些方法、流程及元件并未被详细地描述。图式并不一定需要与实物的尺寸等同。为了更好地说明细节及技术特征，图式中特定部分的展示比例可能会被放大。说明书中的描述不应被认为是对此处所描述的实施例范围的限定。参看图1，本专利技术提供一种铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的制备方法，包括以下步骤:S101：配置1-1000mmol/L的铌锌醇溶液和0.01-0.1mg/mL的碱液，混合搅拌30-120分钟，进行水解沉淀反应，获得悬浊液；S102：将所述悬浊液离心收集粉末，用二次去离子水和无水乙醇交替洗涤，放入干燥箱在50-60℃温度下干燥；S103：将所述干燥后的粉末在300-550℃温度下预晶化处理0-300分钟后，在400-700℃温度下，氨气气氛中保温30-300分钟，获得所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料。进一步地，在步骤S101中，所述铌锌醇溶液是将氯化锌和氯化铌溶于所述醇溶液中制得，其中所述氯化铌中铌原子与所述氯化锌锌原子比为(0.1-1):20，所述铌锌醇溶液中醇溶液选自甲醇、乙醇、丙醇和丁醇的一种或几种。所述碱液为氢氧化钠或氢氧化钾的乙醇溶液。通过采用醇溶液体系进行水解沉淀，克服了普通水解沉淀下杂质元素容易不均匀，晶粒尺寸过大的缺点。在此说明，本专利技术中提到的原子比为原子个数比，也是原子摩尔比。在步骤S102中，在一实施例中，所述交替洗涤的次数为5-8次，放入干燥箱干燥的时间为1天。在步骤S103中，所述预晶化处理是在含有氧气的气氛下进行，使反应前驱体往氧化物转变，形成铌掺杂的氧化锌。此处的反应前驱体为步骤S102收集到的粉末。本专利技术还提供由上述制备方法所制得的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料，所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料为纤锌矿结构，其中，铌与锌的原子比为(0.1-1):20，该光催化材料具有可见光以及红外波段的光响应。本领域人员可以理解的，所述纤锌矿结构具有六方晶系，空间群Pmc，晶格常数a＝0.3820nm，b＝0.3820nm，c＝0.6260nm，α＝90°，β＝90°，γ＝120°。本专利技术还提供所述的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料在可见光催化净化水中有机污染物中的应用。本专利技术的设计原理如下：本专利技术首先利用水解沉淀的技术手段，往锌的体系中按配比引入金属元素铌，沉淀过程在醇溶液体系中进行，反应过程中产生的副产物氯化钠由于在醇中具有很低的溶解度，因此能很好地限制金属离子的扩散，从而使掺杂更加均匀同时限制了晶粒的进一步长大，接着在含氧气的气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:配置1‑1000mmol/L的铌锌醇溶液和0.01‑0.1mg/mL的碱液，混合搅拌30‑120分钟，进行水解沉淀反应，获得悬浊液；将所述悬浊液离心收集粉末，用二次去离子水和无水乙醇交替洗涤，放入干燥箱在50‑60℃温度下干燥；将所述干燥后的粉末在300‑550℃温度下预晶化处理0‑300分钟后，在400‑700℃温度下，氨气气氛中保温30‑300分钟，获得所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料。

【技术特征摘要】
1.一种铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:配置1-1000mmol/L的铌锌醇溶液和0.01-0.1mg/mL的碱液，混合搅拌30-120分钟，进行水解沉淀反应，获得悬浊液；将所述悬浊液离心收集粉末，用二次去离子水和无水乙醇交替洗涤，放入干燥箱在50-60℃温度下干燥；将所述干燥后的粉末在300-550℃温度下预晶化处理0-300分钟后，在400-700℃温度下，氨气气氛中保温30-300分钟，获得所述铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料。2.如权利要求1所述的铌氮共掺杂的氧化锌基光催化材料的制备方法，其特征在于，所述铌锌醇溶液是将氯化锌和氯化铌溶于所述醇溶液中制得，其中所述氯化铌中铌原子与所述氯化锌锌原子比为(0.1-1):20。3.如权利要求2所述的铌氮共掺杂的氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勃，高爽，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44