一种多孔ZnO复合空心球催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多孔ZnO复合空心球催化剂，包括中空的碳球和包覆在所述碳球上的ZnO颗粒。本发明专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂中，所述碳球占所述多孔ZnO复合空心球催化剂的质量分数为56.4％‑78.2％。本发明专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂中，所述多孔ZnO复合空心球催化剂中复合空心球的直径尺寸为100‑600纳米。本发明专利技术还提供了一种多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1，合成胶质碳球；S2，合成多孔ZnO复合空心球催化剂。

Porous ZnO composite hollow sphere catalyst and preparation method thereof

The invention relates to a porous ZnO composite hollow sphere catalyst, which comprises a hollow carbon sphere and ZnO particles coated on the carbon ball. In the porous ZnO composite hollow sphere catalyst described in the invention, the carbon ball occupies the 56.4% ZnO 78.2% content of the porous catalyst hollow sphere catalyst. In the porous ZnO composite hollow sphere catalyst described in the invention, the diameter of the composite hollow spheres in the porous ZnO composite hollow sphere catalyst is 100 to 600 nm. The invention also provides a preparation method of a porous ZnO composite hollow ball catalyst, which includes the following steps: S1, synthesis of glial carbon spheres, S2, and synthesis of porous ZnO composite hollow sphere catalyst.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔ZnO复合空心球催化剂及其制备方法
本专利技术涉及环保和能源功能材料领域，特别地，涉及一种多孔ZnO复合空心球催化剂及其制备方法。
技术介绍
随着全球范围内环境问题的日趋严重，传统化石能源的消耗殆尽，对环境进行治理修复和寻求新的替代能源成为全世界广泛关注的焦点。由于纳米尺寸的材料在光学，电学，磁学和催化等方面具有极其特殊的性质，纳米半导体光催化技术对太阳能的转化利用成为解决这些问题的重要战略之一。在众多研究开发的氧化物半导体光催化剂中，由于TiO2和ZnO的催化活性高，成本低，稳定性高并且环境友好，它们被认为在光催化产氢，CO2还原和污染物降解等方面是绝佳的光催化剂。而其中，氧化锌(ZnO)可以很方便的构建出理想的纳米结构，是影响光催化反应活性的重要因素之一。纳米ZnO为直接带隙(3.32eV)半导体，光电子结合能(60meV)高，在太阳能电池，化学传感，压电及光电器件等领域都有着大量的应用。纳米材料的一些特性都相当依赖于它们非本征的特性，如形貌结构，晶粒尺寸和比表面积等。因而，许多优秀的研究工作通过纳米ZnO形貌结构的调控来提升光催化反应的活性，如纳米棒，纳米阵列，纳米微球及纳米空心球等。余等报道通过葡萄糖/ZnCl2混合溶液水热一锅法后经煅烧合成了ZnO空心球。实验合成的半导体空心球的比表面积随着葡萄糖的摩尔比重上升而增大，性能最优的样品光催化降解罗丹明B(RhB)的效率高于商业催化剂P25。李等也报道了一种一步法多金属氧酸盐(H3PW12O40)协助的无模板电化学方法合成ZnO空心球。空心球结构能够有效的增加了光催化剂的比表面积和活性位点，并且通过入射光在空心结构内的散射增加对光的吸收和利用。然而，由于高温不利于Zn2+在碳球模板上的吸附，一锅水热法产量低，大小不均匀。并且ZnO对pH敏感，电化学H2O2氧化法会使ZnO空心球结构不稳定。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种多孔ZnO复合空心球催化剂，包括中空的碳球和包覆在所述碳球上的ZnO颗粒。本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂中，所述碳球占所述多孔ZnO复合空心球催化剂的质量分数为56.4％-78.2％。本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂中，所述多孔ZnO复合空心球催化剂中复合空心球的直径尺寸为100-600纳米。本专利技术还提供了一种多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1，合成胶质碳球；S2，合成多孔ZnO复合空心球催化剂。在本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法中，步骤S1具体包括如下步骤：S11，将葡萄糖溶解在纯水中，搅拌至澄清溶液，制成浓度为0.1g/ml的葡萄糖溶液；S12，将制备好的所述葡萄糖溶液转移至反应釜中在180度下水热8小时；S13，将步骤S12中得到的产物用去离子水和乙醇洗涤，并烘干。在本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法中，步骤S2具体包括如下步骤：S21，将醋酸锌溶解在纯水中，搅拌至完全溶解，制成5mg/ml的醋酸锌溶液；S22，在醋酸锌溶液中加入步骤S1中制备的所述胶质碳球，并密封超声分散10分钟，然后搅拌6小时；S23，将S22中得到的混合溶液在室温下静置陈化10小时制得C/ZnO复合材料；S24，将所述C/ZnO复合材料放在坩埚中加盖，在400-500摄氏度下煅烧1小时。在本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法中，步骤S22具体为：取60毫升的步骤S21中制备的醋酸锌溶液，加入0.3克步骤S1中制备的所述胶质碳球，并密封超声分散10分钟，然后搅拌6小时。在本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法的一个实施例中，步骤S24具体为，将所述C/ZnO复合材料放在坩埚中加盖，在400摄氏度下煅烧1小时。在本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法的另一个实施例中，步骤S24具体为，将所述C/ZnO复合材料放在坩埚中加盖，在450摄氏度下煅烧1小时。有益效果：本专利技术利用简单的离子吸附原理基于碳球模板制备合成了多孔ZnO复合空心球催化剂，并通过调整煅烧温度系统性控制空心球内碳质材料的含量。实验结果发现，当碳含量为约56.4％，光催化还原CO2活性最高。碳材料的引入显著改善了复合光催化剂的可见光吸收和CO2吸附，并且会产生局部热效应，有利于电荷传输。本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂具有制备方法简单，光催化效果高的有益效果。附图说明图1为本专利技术实施例所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的结构及其催化原理图；图2a-2f为本专利技术实施例所述的多孔ZnO复合空心球催化剂制备过程中产物的扫描电镜图，其中图2a为胶质碳球的扫描电镜图，图2b为C/ZnO复合材料的扫描电镜图，图2c为本专利技术第一实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的扫描电镜图，图2d为本专利技术第二实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的扫描电镜图，图2e为本专利技术第三实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的扫描电镜图，图2f为直接从市场购买的商业ZnO扫描电镜图。图3为本专利技术中不同实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的热重分析图；图4为本专利技术所述的C/ZnO复合材料的形成机理图；图5为本专利技术中不同实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的紫外可见漫反射光谱图；图6为本专利技术中不同实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的CO2吸附等温线图；图7a为本专利技术第二实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的和商业ZnO的催化结果的气相色谱图，图7b为出本专利技术不同实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂及商业ZnO的光催化产率对比图；图8为本专利技术不同实施例中制备的多孔ZnO复合空心球催化剂的电化学阻抗谱。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种多孔ZnO复合空心球催化剂，如图1所示，所述ZnO复合空心球催化剂包括中空的碳球和包覆在所述碳球上的ZnO颗粒。当使用本专利技术所述的ZnO复合空心球催化剂催化时，CO2分子吸附与ZnO空心球表面，同时大量CO2由于π-π共轭效应吸附于空心球内部碳核上。光照时，ZnO产生大量电子空穴对。由于碳费米能级低于ZnO导带位置，电子传输到碳材料上并被局部热效应加速，促进了光生电子空穴的分离。碳材料上的具有相应还原能力电子引发了CO2和水分子的光还原反应。ZnO价带上空穴能氧化H2O，产生O2和H+离子。同时CO2同H+和电子发生还原反应生成CH3OH。碳材料和半导体ZnO的准费米能级差是光生电子发生移动(从ZnO到碳)的动力。并且，大量电子从ZnO传输到碳核上降低了ZnO晶格中的电子数量，从而能够有效抑制电子空穴发生复合，同时使得ZnO表面有更多空穴用以氧化水分子。因此，在这个过程中，光催化CO2还原全反应的效率得到显著的提升。本专利技术所述的多孔ZnO复合空心球催化剂制备方法包括如下步骤：S1，合成胶质碳球。具体地，取葡萄糖溶解在纯水中，搅拌溶解至澄清溶液，制成浓度为0.1g/ml的葡萄糖溶液；然后将制备好的所述葡萄糖溶液转移至反应釜中180摄氏度水热8h；然后将制备的产物用去离子水和乙醇离心洗涤，并烘干，得到胶质碳球；S2，合成多孔ZnO复合空心球催化剂。具体地，将醋酸锌溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔ZnO复合空心球催化剂，其特征在于，包括中空的碳球和包覆在所述碳球上的ZnO颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种多孔ZnO复合空心球催化剂，其特征在于，包括中空的碳球和包覆在所述碳球上的ZnO颗粒。2.如权利要求1所述的多孔ZnO复合空心球催化剂，其特征在于，所述碳球占所述多孔ZnO复合空心球催化剂的质量分数为56.4％-78.2％。3.如权利要求1所述的多孔ZnO复合空心球催化剂，其特征在于，所述多孔ZnO复合空心球催化剂中复合空心球的直径尺寸为100-600纳米。4.一种多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，合成胶质碳球；S2，合成多孔ZnO复合空心球催化剂。5.如权利要求4所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下步骤：S11，将葡萄糖溶解在纯水中，搅拌至澄清溶液，制成浓度为0.1g/ml的葡萄糖溶液；S12，将制备好的所述葡萄糖溶液转移至反应釜中在180度下水热8小时；S13，将步骤S12中得到的产物用去离子水和乙醇洗涤，并烘干。6.如权利要求5所述的多孔ZnO复合空心球催化剂的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金锋，公丕锋，代凯，
申请(专利权)人：淮北师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34