高效光催化复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种高效光催化复合材料及其制备方法，解决了现有技术中光催化材料效率低下的问题。所述复合材料至少包含载体、光催化剂单体和增强剂颗粒，所述光催化剂单体是具备压电效应的半导体；所述增强剂颗粒是磁性纳米颗粒或/和具备局域表面等离子共振效应的金属纳米颗粒；光催化剂单体在载体上分布形成光催化剂阵列，增强剂颗粒分布在光催化剂阵列上形成增强剂阵列。本发明专利技术的优点是，(1)较大的光催化接触面积；(2)较高的光催化效率；(3)简易的制备方法，易于大规模实施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光催化材料及其制备方法，尤其是涉及一种具有高比表面的增强剂辅助的高效光催化剂及其制备方法。
技术介绍
现有主要的光催化剂产品通常存在着效率低下、有效接触面积低下等问题。其主要原因在于：1.光催剂本身的比表面积有限，难以和待催化物进行充分接触；2.光催化剂的电子空穴分离效率较低；3.光照辐射的利用效率低下。故如何开发出高效的光催化剂材料及其制备方法是目前亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提出一种高效光催化复合材料及其制备方法，解决了现有技术中光催化材料效率低下的问题。这种复合材料复合水净化和空气净化的技术要求，且其制备工艺简单易于大规模生产。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种高效光催化复合材料，至少包含载体、光催化剂单体和增强剂颗粒，所述光催化剂单体是具备压电效应的半导体；所述增强剂颗粒是磁性纳米颗粒或/和具备局域表面等离子共振效应的金属纳米颗粒；光催化剂单体在载体上分布形成光催化剂阵列，增强剂颗粒分布在光催化剂阵列上形成增强剂阵列。所述光催化剂单体的形貌为核壳结构、嵌段结构、异质结、半封闭结构、封闭结构、实心结构或其组合。一种高效光催化复合材料的制备方法，是按照下述步骤进行的：(1)将载体进行表面活化处理，而后将载体表面喷涂上一层尺寸为1～100nm的ZnO纳米晶种，并在50～100℃温度下进行干燥0.5～12小时；将硝酸锌、六次甲基四胺及氨水加入去离子水中搅拌均匀，混合成为前驱体溶液；将干燥后的负载有ZnO晶种的载体搁置进入该前驱体溶液中，在60～90℃的温度下，静置反应5～15小时，在载体表面形成氧化锌纳米阵列，得到载体—光催化剂阵列结构；(2)将5～100nm磁性纳米颗粒、柠檬酸三钠加入去离子水中，其中磁性纳米颗粒、柠檬酸三钠及水的质量比为1:4～16:40～150，将混合溶液在50～80℃搅拌反应3～24小时；反应完毕后，将反应后的磁性纳米颗粒产物用磁铁收集，并用去离子水清洗2～3次，将磁性纳米颗粒产物分散在去离子水中，由此得到浓度为0.0001～0.01g/ml的柠檬酸盐修饰的磁性纳米颗粒分散液；将步骤(1)所获得的载体—光催化剂阵列结构，浸泡进入磁性纳米颗粒分散液中，浸泡24小时后取出；将浸泡完的产物，在200～450℃下，惰性气体保护处理0.5～10小时，得到载体—光催化剂阵列—磁性纳米颗粒阵列。将步骤(2)获得的产物，浸泡进入摩尔浓度为0.01～1M的金属盐溶液中，并用紫外灯辐照，金属盐在光催化剂阵列表面还原形成金属单质颗粒阵列，由此构成载体—光催化剂阵列—磁性纳米颗粒-金属颗粒阵列。所述ZnO纳米颗粒的尺寸为20nm，干燥温度为70℃，干燥时间为2小时。所述载体为石墨烯、玻璃纤维、陶粒、石英纤维、光纤、气凝胶、泡沫金属、薄膜或其组合。所述磁性纳米颗粒为包含Fe、Co、Ni、Cr元素中的合金、氧化物或单质。所述金属盐中的金属元素为Au、Ag、Cu、Fe、Sn、Pt或Pd中的至少一种。本专利技术中，金属颗粒通过表面等离子体共振效应提高光催化效率；磁性颗粒，磁性颗粒在外加磁场下受磁力作用，并将磁力传递于具备压电效应的半导体阵列使其发生形变，由此改变半导体的能级结构，提高光催化效率。本专利技术的优点是，(1)较大的光催化接触面积；(2)较高的光催化效率；(3)简易的制备方法，易于大规模实施。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1(a)、1(b)、1(c)和1(d)非限制性光催化剂阵列在载体上的分布示意图。图2(a)和2(b)为非限制性光线在光催化剂表面的多次折射模型示意图。图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)、3(e)、3(f)、3(g)和3(h)为非限制性光催化剂形貌结构示意图。图4(a)、4(b)、4(c)为非限制性增强剂颗粒阵列在光催化剂阵列上的分布示意图。图5为非限制性磁力驱动的光催化剂形变示意图。图6为非限制性增强剂以组合方式提高光催化效率的示意图。图7为纤维载体—致密排列锥形氧化锌阵列结构的扫描电子显微镜图片图8(a)和(b)为纤维载体—疏松排列锥形氧化锌阵列结构的扫描电子显微镜图片图9(a)和(b)为纤维载体—聚集型致密排列锥形氧化锌阵列结构的扫描电子显微镜图片。图10为纤维载体—球形二氧化钛结构的扫描电子显微镜图片。图11为纤维载体—聚集型致密排列氧化锌阵列—金纳米颗粒阵列结构的扫描电子显微镜图片。图12为纤维载体—聚集型致密排列氧化锌阵列—银纳米颗粒阵列结构的扫描电子显微镜图片。图13为纤维载体—聚集型致密排列氧化锌阵列—四氧化三铁纳米颗粒阵列结构的扫描电子显微镜图片。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种高效光催化复合材料，至少包含载体、光催化剂单体和增强剂颗粒，所述光催化剂单体是具备压电效应的半导体；所述增强剂颗粒是磁性纳米颗粒或/和具备局域表面等离子共振效应的金属纳米颗粒；光催化剂单体在载体上分布形成光催化剂阵列，增强剂颗粒分布在光催化剂阵列上形成增强剂阵列。所述光催化剂单体其形貌包括：核壳结构、嵌段结构、异质结、半封闭结构、封闭结构、实心结构或其组合。一种高效光催化复合材料的制备方法，是按照下述步骤进行的：(1)将载体进行表面活化处理，而后将载体表面喷涂上一层尺寸为1～100nm的ZnO纳米晶种，并在50～100℃温度下进行干燥0.5～12小时；干燥温度可以为50、60、75、90或100℃，根据需要可以调整干燥时间为12、10、7、4、2.5或0.5h。将硝酸锌、六次甲基四胺及氨水加入去离子水中搅拌均匀，混合成为前驱体溶液，其中硝酸锌浓度为5～20mM、六次甲基四胺浓度为5～20mM，氨水占混合溶液的体积比为1～20％；前驱体溶液中、六次甲基四胺的浓度可调，比如采用下述三种实施方案：1.硝酸锌浓度为5mM、六次甲基四胺浓度为5mM，氨水占混合溶液的体积比为1％；2.硝酸锌浓度为10mM、六次甲基四胺浓度为10mM，氨水占混合溶液的体积比为10％；3.硝酸锌浓度为20mM、六次甲基四胺浓度为20mM，氨水占混合溶液的体积比为20％，或者其他方式。将干燥后的负载有ZnO晶种的载体搁置进入该前驱体溶液中，在60～90℃的温度下，静置反应5～15小时，在载体表面形成氧化锌纳米阵列，得到载体—光催化剂阵列结构；(2)将5～100nm磁性纳米颗粒、柠檬酸三钠加入去离子水中，其中磁性纳米颗粒、柠檬酸三钠及水的质量比为1:4～16:40～150，将混合溶液在50～80℃搅拌反应3～24小时；反应完毕后，将反应后的磁性纳米颗粒产物用磁铁收集，并用去离子水清洗2～3次，将磁性纳米颗粒产物分散在去离子水中，由此得到浓度为0.0001～0.01g/ml的柠檬酸盐修饰的磁性纳米颗粒分散液；将步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效光催化复合材料，其特征在于至少包含载体、光催化剂单体和增强剂颗粒，所述光催化剂单体是具备压电效应的半导体；所述增强剂颗粒是磁性纳米颗粒或/和具备局域表面等离子共振效应的金属纳米颗粒；光催化剂单体在载体上分布形成光催化剂阵列，增强剂颗粒分布在光催化剂阵列上形成增强剂阵列。

【技术特征摘要】
1.一种高效光催化复合材料，其特征在于至少包含载体、光催化剂单体和增强剂颗粒，所述光催化剂单体是具备压电效应的半导体；所述增强剂颗粒是磁性纳米颗粒或/和具备局域表面等离子共振效应的金属纳米颗粒；光催化剂单体在载体上分布形成光催化剂阵列，增强剂颗粒分布在光催化剂阵列上形成增强剂阵列。2.根据权利要求1所述的高效光催化复合材料，其特征在于：所述光催化剂单体的形貌为核壳结构、嵌段结构、异质结、半封闭结构、封闭结构、实心结构或其组合。3.一种高效光催化复合材料的制备方法，其特征在于是按照下述步骤进行的：(1)将载体进行表面活化处理，而后将载体表面喷涂上一层尺寸为1～100nm的ZnO纳米晶种，并在50～100℃温度下进行干燥0.5～12小时；将硝酸锌、六次甲基四胺及氨水加入去离子水中搅拌均匀，混合成为前驱体溶液；将干燥后的负载有ZnO晶种的载体搁置进入该前驱体溶液中，在60～90℃的温度下，静置反应5～15小时，在载体表面形成氧化锌纳米阵列，得到载体—光催化剂阵列结构；(2)将5～100nm磁性纳米颗粒、柠檬酸三钠加入去离子水中，其中磁性纳米颗粒、柠檬酸三钠及水的质量比为1:4～16:40～150，将混合溶液在50～80℃搅拌反应3～24小时；反应完毕后，将反应后的磁性纳米颗粒产物用磁铁收集，并用去离子水清洗2～3次，将磁性纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：方亚鹏，苏磊，刘腾蛟，王征，王永强，董凤良，
申请(专利权)人：方亚鹏，苏磊，刘腾蛟，
类型：发明
国别省市：湖北;42