一种GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开一种GO‑CdS‑ZnO‑多孔硅复合光催化剂的制备方法，包括：①采用金属纳米颗粒辅助刻蚀法制备多孔硅；②制备氧化石墨烯分散液；③将多孔硅加入ZnO前驱体溶液搅拌、超声分散，并与含PVP为分散剂、乌洛托品为络合剂的硝酸锌溶液反应，获得ZnO‑多孔硅材料；④以硫酸镉为镉源、硫脲为硫源，加入氧化石墨烯分散液和ZnO‑多孔硅，在高压釜中反应，反应完成后冲洗、干燥即可获得GO‑CdS‑ZnO‑多孔硅复合光催化剂。

A preparation method of GO CdS ZnO porous silicon composite photocatalyst

Including the method, the invention discloses a preparation of GO CdS ZnO porous silicon composite photocatalyst: using metal nanoparticles assisted etching prepared porous silicon; the preparation of graphene oxide dispersion; the porous silicon adding ZnO precursor solution stirring, ultrasonic dispersion, and the dispersion containing PVP for the reaction of zinc nitrate solution agent, urotropine complexing agent, ZnO porous silicon material; the cadmium sulfate as cadmium source, thiourea as sulfur source, adding graphene oxide dispersions and ZnO porous silicon, the reaction in the autoclave, washing and drying after the reaction to obtain GO CdS porous ZnO silicon composite photocatalyst.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，具体涉及一种GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂的制备方法。
技术介绍
随着社会经济的发展，染料废水在染料生产和使用中有大量碱度高、色泽深、臭味大的染料废水进入环境，对生态环境和饮用水造成极大的危害。其中还含有苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质。而常用的生物化学法对于水溶性染料的降解效率往往是很低的。在诸多污染物控制手段中，光催化氧化技术是近30年才出现的水处理新技术。它起源于出现能源危机的上世纪七十年代。但将半导体材料用于催化光解水中污染物的研究还是近十几年的事情。光催化技术具有独特的优势，能使诸多情况下难以实现的反应在较温和的条件下能够顺利进行，虽然光催化复杂的反应机理还没有被彻底了解，但是应用研究成绩斐然。半导体光催化技术在环境污染物治理、光解水制氢、太阳能电池等领域具有广泛的应用。氧化锌就是效果最好的光催化材料之一。氧化锌是一种禁带宽度为3.2eV直接带隙半导体，然而氧化锌的光生电子空穴对易于快速复合导致光催化性能下降，因此研究者采用了很多方法来抑制光生电子空穴对的复合并拓展光响应区域，包括结构形貌控制、贵金属负载、离子掺杂、有机无机材料复合等。其中复合半导体是其中一个方向。硫化镉作为一种氧化还原型半导体，具有更加合适的价带导带位置，其还原电位足够负，还原能力比较强。硫化镉可以吸收在太阳光谱中占绝大部分的可见光。而且硫化镉为直接带隙半导体，能级之间可直接跃迁，进一步增加了可见光的吸收率。氧化石墨烯作为零维碳纳米材料，因其优异的光学和电学特性，低毒性、低制备成本，水溶性和生物相容性等独特性能在光学器件、生物成像以及光催化领域表现出巨大应用潜力，并且氧化石墨烯可以作为半导体，在紫外光的激发下自身可产生电子空穴对，进而提供更多的高活性自由基利于有机物降解。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂的制备方法，将氧化石墨烯、硫化镉、氧化锌纳米材料进行了复合，能够大幅度提高材料的光催化性能并能抑制光催化材料的光腐蚀。本专利技术所采用的技术方案是：（1）多孔硅制备：①硅料的预处理：将硅料进行破碎和研磨后，颗粒粒径1-500μm，用蒸馏水清洗，然后用1-40wt%的HF浸泡清洗后的硅粉1-60min，烘干后备用；②硅粉的刻蚀：在室温下采用金属纳米颗粒辅助刻蚀法得到含有纳米级孔道的多孔硅颗粒；③金属纳米颗粒的去除：将②中得到的多孔硅颗粒放置于硝酸溶液中浸泡1-200min；④多孔硅颗粒的后处理：过滤获得多孔硅颗粒并用大量的去离子水冲洗，直到洗液pH显示为中性，过滤、烘干备用；（2）氧化石墨烯（GO）分散液制备：将市购或自制的氧化石墨分散到去离子水中，通过超声剥离形成氧化石墨烯片，离心分离得到均匀分散的0.1-5M的氧化石墨烯分散液备用；（3）ZnO-多孔硅制备：①制备ZnO前驱体溶液：将醋酸锌和氢氧化钠溶于乙醇中，使其中醋酸锌和氢氧化钠浓度均为0.001-3M，并向其中加入步骤（1）制得的多孔硅，使混合物在25-90℃机械搅拌1-300min，然后在超声机中10-80℃超声分散1-300min后干燥，得到含ZnO晶种的多孔硅；②配制0.001-3M硝酸锌溶液，将含0.001-3MPVP、0.001-3M乌洛托品的溶液加入硝酸锌溶液中，并将含ZnO晶种的多孔硅加入其中，使混合物在高压釜中在90-200℃反应0.5-3h；反应完成将产物过滤、洗涤、烘干备用；（4）GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂制备：将浓度为0.01-2M的硫酸镉溶液与浓度为0.001-0.2M的硫脲溶液按体积比为1:1-10:1混合均匀，加入步骤（2）制得的氧化石墨烯分散液和步骤（3）制得的ZnO-多孔硅，硫酸镉-硫脲混合溶液与氧化石墨烯分散液与ZnO-多孔硅三者体积比为10:10:1-10:1:7，加碱溶液调节反应体系的pH值为7.5-14，置于高压釜中在60-100℃反应1-10h；反应完成后将产物冲洗、干燥即可。步骤（1）②中所述金属纳米颗粒辅助刻蚀法具体操作步骤为：采用化学法将金属纳米粒子沉积在硅粉上，沉积时间为10-90s，在25-50℃下将沉积有金属纳米粒子的硅粉置于HF和H2O2的混合溶液中进行刻蚀，在混合溶液中HF的浓度为0.1-33mol/L、H2O2的浓度为0.01-20mol/L，反应体系在避光条件下搅拌反应1-300min后得到大规模含有纳米级孔道的多孔硅颗粒。所述金属纳米粒子为Au、Ag、Pt、Cu中任意一种金属的纳米粒子。步骤（2）中氧化石墨可采用经典improve-Hummers法制备：①将浓硫酸与磷酸（体积比为4:1-15:1）的混合物缓慢滴加入天然石墨和高锰酸钾（质量比为1:2-1:10）的混合物中，固液体积比为1:20-1:50；②经过低温反应（0℃<反应温度<10℃，反应时间1-5h）、中温反应（反应温度25-50℃，反应时间10-24h）后溶液呈墨绿色；产物边搅拌倒入冰水中，加1-20mL5-40wt%的H2O2溶液呈金黄色，静置1-24h；③然后经离心、渗析、水洗和干燥得到膨胀化的氧化石墨。所述方法制得的GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂用于吸附降解甲基橙。本专利技术的有益效果：本专利技术通过水热法制备GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂。CdS的引入拓宽了光催化剂在可见光的吸收范围，氧化石墨烯的引入促进了光生载流子的有效分离和传输。水热法制备具有制备体系稳定、形貌可控、经济可行等优点。附图说明图1为多孔硅扫描电镜照片；图2为GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂场发射扫描电镜照片。具体实施方式下面通过具体实例详细介绍本专利技术，但以下的实例仅限于解释本专利技术，本专利技术的保护范围应包括权利要求书中的所有内容。实施例1（1）多孔硅制备：①硅料的预处理：将硅料进行破碎和研磨至颗粒粒径为1μm，用蒸馏水清洗，然后用1wt%的HF浸泡清洗后的硅粉60min，烘干后备用；②硅粉的刻蚀：在室温下采用化学法将Ag纳米粒子沉积在硅粉上，沉积时间为15s，在25℃下将沉积有Ag纳米粒子的硅粉置于HF和H2O2的混合溶液中进行刻蚀，在混合溶液中HF的浓度为0.1mol/L、H2O2的浓度为0.01mol/L，反应体系在避光条件下搅拌（180转/min）反应280min后得到大规模含有纳米级孔道的多孔硅颗粒；③Ag纳米粒子的去除：将②中得到的多孔硅颗粒放置于硝酸溶液中浸泡1min；④多孔硅颗粒的后处理：过滤获得多孔硅颗粒并用大量的去离子水冲洗，直到洗液pH显示为中性，过滤、烘干备用；制得的多孔硅扫描电镜照片如图1所示，其形貌特征为硅粉表面具有大量均匀的微孔结构；（2）氧化石墨烯（GO）分散液制备：①将浓硫酸与磷酸（体积比为4:1）的混合物缓慢滴加入天然石墨和高锰酸钾（质量比为1:2）的混合物中，固液体积比为1:20；②经过低温反应（在1℃反应5h）、中温反应（在25℃反应24h）后溶液呈墨绿色；产物边搅拌倒入冰水中，加2mL40wt%的H2O2溶液呈金黄色，静置2h；③然后经离心、渗析、水洗和干燥得到膨胀化的氧化石墨；④将氧化石墨分散到去离子水中，通过超声剥离形成氧化石墨烯片，离心分离得到均匀分散的0.1M氧化石墨烯分散液备用；（3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GO‑CdS‑ZnO‑多孔硅复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）多孔硅制备：①硅料的预处理：将硅料进行破碎和研磨至颗粒粒径为1‑500μm，用蒸馏水清洗，然后用1‑40wt%的HF浸泡清洗后的硅粉1‑60min，烘干后备用；②硅粉的刻蚀：在室温下采用金属纳米颗粒辅助刻蚀法得到含有纳米级孔道的多孔硅颗粒；③金属纳米颗粒的去除：将②中得到的多孔硅颗粒放置于硝酸溶液中浸泡1‑200min；④多孔硅颗粒的后处理：过滤获得多孔硅颗粒并用大量的去离子水冲洗，直到洗液pH显示为中性，过滤、烘干备用；（2）氧化石墨烯分散液制备：将氧化石墨分散到去离子水中，通过超声剥离形成氧化石墨烯片，离心分离得到均匀分散的氧化石墨烯分散液备用；（3）ZnO‑多孔硅制备：①制备ZnO前驱体溶液：将醋酸锌和氢氧化钠溶于乙醇中，并加入步骤（1）制得的多孔硅，在25‑90℃搅拌1‑300min，然后在10‑80℃超声分散1‑300min后干燥，得到含ZnO晶种的多孔硅；②配制0.001‑3M硝酸锌溶液，将含0.001‑3M PVP、0.001‑3M乌洛托品的溶液加入硝酸锌溶液中，并将含ZnO晶种的多孔硅加入其中，使混合物在高压釜中在90‑200℃反应0.5‑3h；反应完成将产物过滤、洗涤、烘干备用；（4）GO‑CdS‑ZnO‑多孔硅复合光催化剂制备：将浓度为0.01‑2M的硫酸镉溶液与浓度为0.001‑0.2M的硫脲溶液混合均匀，加入步骤（2）制得的氧化石墨烯分散液和步骤（3）制得的ZnO‑多孔硅，加碱溶液调节反应体系的pH值为7.5‑14，置于高压釜中在60‑100℃反应1‑10h；反应完成后将产物冲洗、干燥即可。...

【技术特征摘要】
1.一种GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）多孔硅制备：①硅料的预处理：将硅料进行破碎和研磨至颗粒粒径为1-500μm，用蒸馏水清洗，然后用1-40wt%的HF浸泡清洗后的硅粉1-60min，烘干后备用；②硅粉的刻蚀：在室温下采用金属纳米颗粒辅助刻蚀法得到含有纳米级孔道的多孔硅颗粒；③金属纳米颗粒的去除：将②中得到的多孔硅颗粒放置于硝酸溶液中浸泡1-200min；④多孔硅颗粒的后处理：过滤获得多孔硅颗粒并用大量的去离子水冲洗，直到洗液pH显示为中性，过滤、烘干备用；（2）氧化石墨烯分散液制备：将氧化石墨分散到去离子水中，通过超声剥离形成氧化石墨烯片，离心分离得到均匀分散的氧化石墨烯分散液备用；（3）ZnO-多孔硅制备：①制备ZnO前驱体溶液：将醋酸锌和氢氧化钠溶于乙醇中，并加入步骤（1）制得的多孔硅，在25-90℃搅拌1-300min，然后在10-80℃超声分散1-300min后干燥，得到含ZnO晶种的多孔硅；②配制0.001-3M硝酸锌溶液，将含0.001-3MPVP、0.001-3M乌洛托品的溶液加入硝酸锌溶液中，并将含ZnO晶种的多孔硅加入其中，使混合物在高压釜中在90-200℃反应0.5-3h；反应完成将产物过滤、洗涤、烘干备用；（4）GO-CdS-ZnO-多孔硅复合光催化剂制备：将浓度为0.01-2M的硫酸镉溶液与浓度为0.001-0.2M的硫脲溶液混合均匀，加入步骤（2）制得的氧化石墨烯分散液和步骤（3）制得的ZnO-多孔硅，加碱溶液调节反应体系的pH值为7.5-14，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李绍元，冯琪，马文会，邹宇新，何霄，于洁，万小涵，吕国强，雷云，谢克强，伍继君，魏奎先，杨斌，戴永年，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53