一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂及其制备方法技术

一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂及其制备方法，属于半导体光催化剂技术领域。本发明专利技术首先是制备仿生植物叶片状ZnO，然后采用光还原HAuCl4的方法在ZnO表面负载Au纳米粒子，从而得到所述光催化剂。本发明专利技术具有设备简单、条件温和、所用化学试剂廉价易得、可重复性好、可放大量生产的特点。制备的仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂很好的复制了植物叶片的结构形貌，在太阳光谱范围内相对于其他没有植物叶片形貌的异质结展现了较强的光捕获能力。实验结果表明，作为半导体光催化剂，其在模拟太阳光下(200～1100nm)的催化效果比其他没有植物叶片形貌的Au/ZnO异质结具有显著的提高，在光催化降解多种有机污染物及光电转换方面具有较好的效果。

Bionic plant leaf like Au/ZnO heterojunction photocatalyst and preparation method thereof

The invention relates to a biomimetic plant leaf-like Au/ZnO heterojunction photocatalyst and a preparation method thereof, belonging to the technical field of semiconductor photocatalyst. The invention is to prepare biomimetic plant leaf-like zinc oxide, and then to load Au nanoparticles on the surface of zinc oxide by photoreduction of HAuCl4 to obtain the photocatalyst. The invention has the characteristics of simple equipment, mild conditions, cheap and easily available chemical reagents, good repeatability and large-scale production. The prepared biomimetic plant leaf-like Au/ZnO heterojunction photocatalyst reproduces the structure and morphology of plant leaves well, and exhibits strong light capture ability compared with other heterojunctions without leaf morphology in the solar spectrum range. The experimental results show that as a semiconductor photocatalyst, its photocatalytic effect under simulated sunlight (200-1100 nm) is much better than that of other U/ZnO heterojunctions without plant leaf morphology, and it has better photocatalytic degradation of a variety of organic pollutants and photoelectric conversion.

【技术实现步骤摘要】
一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂及其制备方法
本专利技术属于半导体光催化剂
，具体涉及一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂及其制备方法。
技术介绍
光催化氧化技术被认为是解决环境污染问题的最有应用前景的技术之一。迄今为止，已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以通过光催化氧化而迅速降解。在光催化技术常用的半导体中，ZnO的制备成本相对低廉，且具有较低的生长和晶化温度、易于制备多样形貌和结构，而引起了人们越来越多的关注。目前，单纯的ZnO催化剂在实际应用中还存在两个亟待解决的问题：第一，太阳能的利用效率低，ZnO对光的吸收主要在紫外区的一小段，只能利用占太阳光谱范围4％的光能；第二，半导体载流子复合率高，光量子效率低。因此，开发和研究可见光响应的光催化材料，并提高光量子效率，从而提高太阳光的利用效率，推进光催化材料的应用，是目前亟待解决的关键问题。最近，新兴的贵金属复合的ZnO基异质结构纳米材料得到了科学家广泛的关注。在贵金属/半导体异质结构中，贵金属在可见光区强的表面等离子体共振(SPR)效应可以拓展可见光吸收；而且贵金属一般具有比半导体更低的费米能级，能促进光生电子和空穴的分离，从而提高光催化剂的光量子效率，因而成为研究的热点。自然界中生物的独特结构为光学、电磁学等材料科学的发展提供了许多灵感。多级复杂的生物结构赋予了生物对外界环境的适应能力。最近，也有一些仿生ZnO基纳米材料在生物传感等领域的应用报道，选取的生物原型主要为丝绸、蛋壳膜、柳木和杉木等。在众多的生物原型中，绿色植物在自然界的能量循环中起着重要的作用，内部的复合结构使其具有较强的捕获光和利用光的效率，可以通过光合作用将太阳能转换为化学能。而如果从结构仿生的角度出发，将自然界中的绿色植物的这种多级复合结构进一步引入到ZnO基催化剂当中，将能有效的提高光能捕获效率，从而进一步提高光催化的效率，但目前还没有仿生植物叶片状ZnO及Au/ZnO异质结构的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂及其制备方法。Au/ZnO异质结中ZnO与Au的比例可以通过改变加入的金源和锌源的比例及光照时间方便地进行调节。相对于没有植物叶片形貌的Au/ZnO异质结而言，仿生植物叶片状Au/ZnO异质结具有较强的光能捕获能力及光催化降解效率。本专利技术所述的一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂的制备方法，其步骤如下：1)将新鲜的植物叶片放在体积分数为2～10％的醛类固定液的PBS(pH为7.2)溶液中浸泡10～24h，用去离子水冲洗干净后用体积分数为2～10％的酸溶液浸泡4～8h，植物叶片由绿色变为褐色；然后用去离子水冲洗干净后在浓度为40～60mM的锌盐的醇水溶液中浸泡15～24h，再用去离子水冲洗干净后真空冷冻干燥，最后将干燥产物放入马弗炉中加热煅烧得到仿生植物叶片状ZnO；2)将步骤1)得到的仿生植物叶片状ZnO采用光还原HAuCl4的方法在ZnO表面负载Au纳米粒子。具体而言，将仿生植物叶片状ZnO置于质量分数为0.01～0.2％的HAuCl4水溶液当中，用碱溶液调节pH值至7～10，在光源辐照下实现Au的光还原(Au3+还原成Au)，最终得到仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂。然后用去离子水清洗自然干燥后备用。植物叶片为菠菜叶片、油菜叶片、杨树叶片、柳树叶片等中的一种。醛类固定液为甲醛、戊二醛、多聚甲醛、丙烯醛、已二醛、丙二醛等中的一种。酸为硫酸、盐酸、硝酸或冰醋酸等中的一种。锌盐为醋酸锌、硫酸锌、硝酸锌或氯化锌等中的一种。碱液为氨水、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾、六次甲基四氨等中的一种。醇为甲醇、乙醇、丙醇、苯甲醇、乙二醇等中的一种，醇与水的体积比为1～3：1。光源为模拟太阳光、汞灯、氙灯、LED灯等中的一种。真空冷冻干燥的温度为-50～-80℃，时间为6～48小时。马弗炉中加热煅烧的温度为500～800℃，时间为3～10h。本专利技术所述合成仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂的方法采用的设备简单、条件温和、所用化学试剂廉价易得、可重复性好、可放大量生产。制备的仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂很好的复制了植物叶片的结构形貌，在太阳光谱范围内相对于其他没有植物叶片形貌的异质结展现了较强的光捕获能力。实验结果表明作为半导体光催化剂，其在模拟太阳光下(200～1100nm)的催化效果比其他没有植物叶片形貌的Au/ZnO异质结具有显著的提高，在光催化降解多种有机污染物及光电转换方面具有较好的效果。本专利技术采用师法自然的思想，提出了以新鲜植物叶片为牺牲模板，合成仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂。该仿生植物叶片状Au/ZnO异质结，很好复制了植物叶片的多级复杂结构，还表现出优越的光催化降解有机污染物的性能。目前还没有仿生植物叶片状ZnO及Au/ZnO异质结构的报道。这种成本低廉、环境友好型的光催化剂在光催化降解环境污染物、太阳能电池及太阳能制氢等领域有良好的应用前景。附图说明图1：实施例1制备得到的仿生植物叶片形貌的Au/ZnO异质结(曲线1)及没有植物叶片形貌的Au/ZnO异质结光催化剂(曲线2)的反射光谱图；图2：实施例1制备得到的仿生植物叶片形貌的Au/ZnO异质结(图a)及没有植物叶片形貌的Au/ZnO异质结光催化剂(图b)的扫描电子显微镜照片；图3：实施例1制备得到的仿生植物叶片形貌的Au/ZnO异质结(曲线1)及没有植物叶片形貌的Au/ZnO异质结光催化剂(曲线2)的X射线衍射谱图；图4：应用实施例1制备得到的仿生植物叶片形貌的Au/ZnO异质结及没有植物叶片形貌的Au/ZnO异质结光催化剂模拟太阳光下催化降解染料分子罗丹明B的光降解曲线；图5：实施例1制备得到的仿生植物叶片形貌的Au/ZnO异质结(曲线1)及仿生植物叶片形貌的ZnO材料(曲线2)光催化剂的光电转换性能测试。具体实施方式下面以具体实施例对本专利技术的技术方案做更详细的说明，但所述实例不构成对本专利技术的限制。实施例11)将新鲜的菠菜叶片(原料质量是2.34g)放在体积分数2％的戊二醛的PBS(pH为7.2)溶液当中浸泡16h，用去离子水冲洗干净后，用体积分数5％的HCl水溶液浸泡5h，菠菜叶片由绿色变为褐色，用去离子水冲洗干净后在浓度为50mM的Zn(NO3)2.6H2O的乙醇水溶液(乙醇与水的体积比为1：1)中浸泡24h，用去离子水冲洗干净后真空冷冻干燥(-50℃)24h，最后在600℃马弗炉中加热煅烧4h得到仿生菠菜叶片状ZnO。2)将步骤1)得到的仿生菠菜叶片状ZnO，采用光还原HAuCl4的手段在ZnO的表面负载Au纳米粒子。具体而言，将仿生菠菜叶片状ZnO(原料质量是180mg)置于10mL的HAuCl4(质量分数0.1％)水溶液当中，用0.1M的NaOH调节pH值至8，在波长范围为350～780nm的氙灯光源照射下实现Au的光还原(Au3+还原成Au)，最终得到仿生菠菜叶片状Au/ZnO异质结光催化剂，产物质量是185mg。实施例1性能测试取25mg本专利技术制得的仿生菠菜叶片状Au/ZnO异质结光催化剂加入到25mL罗丹明B的水溶液中(其中，罗丹明B的浓度为5ppm)，在暗处搅拌30m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂的制备方法，其步骤如下：1)将新鲜的植物叶片放在体积分数为2～10％的醛类固定液的PBS溶液中浸泡10～24h，用去离子水冲洗干净后用体积分数为2～10％的酸溶液浸泡4～8h，植物叶片由绿色变为褐色；然后用去离子水冲洗干净后在浓度为40～60mM的锌盐的醇水溶液中浸泡15～24h，再用去离子水冲洗干净后真空冷冻干燥，最后将干燥产物加热煅烧得到仿生植物叶片状ZnO；2)将仿生植物叶片状ZnO置于质量分数为0.01～0.2％的HAuCl4水溶液当中，用碱溶液调节pH值至7～10，在光源辐照下将Au3+还原成Au，从而得到仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂的制备方法，其步骤如下：1)将新鲜的植物叶片放在体积分数为2～10％的醛类固定液的PBS溶液中浸泡10～24h，用去离子水冲洗干净后用体积分数为2～10％的酸溶液浸泡4～8h，植物叶片由绿色变为褐色；然后用去离子水冲洗干净后在浓度为40～60mM的锌盐的醇水溶液中浸泡15～24h，再用去离子水冲洗干净后真空冷冻干燥，最后将干燥产物加热煅烧得到仿生植物叶片状ZnO；2)将仿生植物叶片状ZnO置于质量分数为0.01～0.2％的HAuCl4水溶液当中，用碱溶液调节pH值至7～10，在光源辐照下将Au3+还原成Au，从而得到仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂。2.如权利要求1所述的一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂的制备方法，其特征在于：植物叶片为菠菜叶片、油菜叶片、杨树叶片或柳树叶片。3.如权利要求1所述的一种仿生植物叶片状Au/ZnO异质结光催化剂的制备方法，其特征在于：醛类固定液为甲醛、戊二醛、多聚甲醛、丙烯醛、已二醛或丙二醛。4.如权利要求1所述的一种仿生植物叶片状Au/...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙航，佘萍，商殷兴，汤亚男，秦蓁，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22