Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，包括如下步骤：将Zn前驱体和Co前驱体溶于水和乙二醇混合溶剂中，形成Zn前驱体和Co前驱体溶液，在室温条件下搅拌，获得混合前驱体溶液；将尿素缓慢加入到混合前驱体溶液中，搅拌使其形成均匀分布悬挂，然后置于高压反应釜中，溶液高度至高压反应釜1/2‑2/3高度处；密封高压反应釜进行水热反应；自然冷却至室温，分别用水和乙醇洗涤数次，恒温干燥，将产物在NH3气氛中焙烧，获得Co掺杂ZnO纳米花材料。合成的纳米花材料由片状纳米结构组成，形貌均一，比表面积大，活性位点多，且材料具有独特的电子结构和物理特性，在对硝基苯酚加氢反应中有良好的催化加氢活性。

【技术实现步骤摘要】
Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及有机污染物降解的水处理领域，具体涉及Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法及其应用。
技术介绍
对硝基苯酚是一种重要的有机合成原料，常被用于有机合成用作染料、医药及农药的中间体，也用作染料中间体、医药及农药的原料用作酸碱指示剂和分析试剂。但是，对硝基苯酚也是环境污染物之一，它在生产和使用过程中可以随生活污水及工业废水排放，对人体健康造成潜在的危害，会引起对人与动物中枢神经和迷走神经末梢有刺激作用及抑制作用，还出现高铁血色素症和呼吸困难，一定量的对硝基苯酚也会抑制植物的生长。近几年，氧化锌作为一种新型无机化工材料，氧化锌纳米材料由于具有良好的热稳定性、化学稳定性、易于掺杂及一定的催化性已经广泛应用于相关领域。ZnO材料还具有高的熔点和热稳定性、制备简单、高机械强度和较低的电子诱生缺陷等优点，是一种来源广泛、成本低、毒性小，具有生物相容性的天然材料。贵金属(Pd、Au、Pt等)因具有高效良好的催化活性，被广泛的应用于各个催化领域，但是，贵金属由于高成本和其稀缺性，增加了工业生产成本。因此，开发一种高活性和稳定性的过渡金属纳米是目前大家关注的重点。
技术实现思路
本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法；本专利技术水热法合成的纳米花材料由片状纳米结构组成，形貌均一，比表面积大，活性位点多，且材料具有独特的电子结构和物理特性，在对硝基苯酚加氢反应中表现出与贵金属一样良好的催化加氢活性，降低了工业生产的成本，同时可利用外部磁体轻松地与反应系统分离，具有良好的再利用性能。本专利技术要解决的第二个技术问题是提供一种上述方法制得的Co掺杂ZnO纳米花材料的应用。为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，包括如下步骤：1)将Zn前驱体和Co前驱体溶于水和乙二醇混合溶剂中，形成Zn前驱体和Co前驱体溶液，在室温条件下搅拌，获得混合前驱体溶液；2)将尿素缓慢加入到混合前驱体溶液中，搅拌使其形成均匀分布悬挂，然后置于高压反应釜中，溶液高度至高压反应釜1/2-2/3高度处；3)密封高压反应釜进行水热反应，反应结束后，将高压反应釜自然冷却至室温，收集产物，分别用水和乙醇洗涤数次，恒温干燥，将产物在NH3气氛中焙烧，获得Co掺杂ZnO纳米花材料。作为技术方案的进一步改进，步骤1)中，所述Zn前驱体为Zn(NO3)2·6H2O，Co前驱体为Co(NO3)2·6H2O。优选地，步骤1)中，所述Zn前驱体和Co前驱体的质量比为0.4-0.8:0.1-0.3。优选地，步骤1)中，所述水和乙二醇的体积比为1:1-1:3；更优选地，所述水和乙二醇的体积比为1:2。作为技术方案的进一步改进，步骤2)中，所述尿素和步骤1)中Zn前驱体的质量比为0.3-0.6:0.4-0.8。作为技术方案的进一步改进，步骤3)中，所述水热温度为100-140℃，升温速率为4-6℃/min；优选地，步骤3)中，所述水热温度为110-130℃。优选地，步骤3)中，所述水热反应时间为2-5h；更优选地，步骤3)中，所述水热时间为4h。优选地，步骤3)中，所述清洗是使用去离子水和无水乙醇分别进行2-5次。优选地，步骤3)中，所述恒温干燥的温度为50-80℃；更优选地，步骤3)中，所述恒温干燥的温度为70℃。优选地，步骤3)中，所述焙烧的温度为200-500℃；更优选地，所述焙烧的温度为250-350℃；所述焙烧加热速率为4-6℃min-1。为解决上述第二个技术问题，本专利技术上述制得的Co掺杂ZnO纳米花材料在对硝基苯酚加氢反应中的应用。本专利技术所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。如无特殊说明，本专利技术中的各原料均可通过市售购买获得，本专利技术中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术得到的水热法合成合成的纳米花材料由片状纳米结构组成，形貌均一，比表面积大，活性位点多，且材料具有独特的电子结构和物理特性，在对硝基苯酚加氢反应中表现出与贵金属一样良好的催化加氢活性，降低了工业生产的成本，同时可利用外部磁体轻松地与反应系统分离，具有良好的再利用性能。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明图1为本专利技术实施例1制得的Co掺杂ZnO纳米花材料的XRD图谱；图2为本专利技术实施例1制得的Co掺杂ZnO纳米花材料扫描电镜图。图3为本专利技术实施例1制得的Co掺杂ZnO纳米花材料扫描电镜图。图4为本专利技术实施例1制得的Co掺杂ZnO纳米花材料还原对硝基苯酚的紫外可见光谱图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例对本专利技术做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。作为本专利技术的一个方面，一种Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，包括如下步骤：1)将Zn前驱体和Co前驱体溶于水和乙二醇混合溶剂中，形成Zn前驱体和Co前驱体溶液，在室温条件下搅拌，获得混合前驱体溶液；2)将尿素缓慢加入到混合前驱体溶液中，搅拌使其形成均匀分布悬挂，然后置于高压反应釜中，溶液高度至高压反应釜1/2-2/3高度处；3)密封高压反应釜进行水热反应，后反应结束；将高压反应釜自然冷却至室温，收集产物，分别用水和乙醇洗涤数次，恒温干燥，将产物在NH3气氛中焙烧，获得Co掺杂ZnO纳米花材料。在本专利技术某些实施例中，步骤1)中，所述Zn前驱体为Zn(NO3)2·6H2O，Co前驱体为Co(NO3)2·6H2O。本申请中，如果采用其它锌盐、钴盐会无法形成稳定的花球形结构。在本专利技术某些实施例中，步骤1)中，所述Zn前驱体和Co前驱体的质量比为0.4-0.8:0.1-0.3。在本专利技术某些实施例中，步骤1)中，所述水和乙二醇的体积比为1:1-1:3。在本专利技术某些优选实施例中，所述水和乙二醇的体积比为1:2。在本专利技术某些实施例中，步骤2)中，所述尿素和步骤1)中Zn前驱体的质量比为0.3-0.6:0.4-0.8。本申请中，前驱体的量和尿素的量要成比例，如果改变比例，会改变Co掺杂ZnO纳米花材料花球形貌，不能形成稳定的花球形结构。在本专利技术某些实施例中，步骤3)中，所述水热温度为100-140℃，升温速率为4-6℃/min；本申请中，温度是影响形貌的重要条件，不在此范围时，产物不能形成片状结构的花球形。在本专利技术某些优选实施例中，步骤3)中，所述水热温度为110-130℃。在本专利技术某些实施例中，步骤3)中，所述水热反应时间为2-5h；本申请中，反应时间也是影响形貌的重要条件，不在此范围不能形成稳定花球形结构。在本专利技术某些优选实施例中，步骤3)中，所述水热时间为4h；在本专利技术某些实施例中，步骤3)中，所述清洗是使用去离子水和无水乙醇分别进行2-5次。在本专利技术某些实施例中，步骤3)中，所述恒温干燥的温度为50-80℃；更优选地，步骤3)中，所述恒温干燥的温度为70℃；干燥温度过高，ZnO在生长的过程中水溶液蒸发过快，容易形成表面团聚，影响材料的催化性能。在本专利技术某些实施例中，步骤3)中，所述焙烧的温度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将Zn前驱体和Co前驱体溶于水和乙二醇混合溶剂中，形成Zn前驱体和Co前驱体溶液，在室温条件下搅拌，获得混合前驱体溶液；2)将尿素缓慢加入到混合前驱体溶液中，搅拌使其形成均匀分布悬挂，然后置于高压反应釜中，溶液高度至高压反应釜1/2‑2/3高度处；3)密封高压反应釜进行水热反应，反应结束后将高压反应釜自然冷却至室温，收集产物，分别用水和乙醇洗涤数次，恒温干燥，将产物在NH3气氛中焙烧，获得Co掺杂ZnO纳米花材料。

【技术特征摘要】
1.Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将Zn前驱体和Co前驱体溶于水和乙二醇混合溶剂中，形成Zn前驱体和Co前驱体溶液，在室温条件下搅拌，获得混合前驱体溶液；2)将尿素缓慢加入到混合前驱体溶液中，搅拌使其形成均匀分布悬挂，然后置于高压反应釜中，溶液高度至高压反应釜1/2-2/3高度处；3)密封高压反应釜进行水热反应，反应结束后将高压反应釜自然冷却至室温，收集产物，分别用水和乙醇洗涤数次，恒温干燥，将产物在NH3气氛中焙烧，获得Co掺杂ZnO纳米花材料。2.根据权利要求1所述Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述Zn前驱体为Zn(NO3)2·6H2O，Co前驱体为Co(NO3)2·6H2O。3.根据权利要求1所述Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述Zn前驱体和Co前驱体的质量比为0.4-0.8:0.1-0.3。4.根据权利要求1所述Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述水和乙二醇的体积比为1:1-1:3；更优选地，所述水和乙二醇的体积比为1:2。5.根据权利要求1所述Co掺杂ZnO纳米花材料的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：程道建，李茜，黄兴凯，李超，曹东，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11