一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括步骤：以石墨粉为原料，制备氧化石墨烯悬浮液；三聚氰胺海绵经预处理后，浸渍于氧化石墨烯悬浮液中，将氧化石墨烯复合海绵干燥后进行第一次煅烧，得到3DN

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及半导体光催化还原二氧化碳
，具体而言，涉及一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着化石燃料的大量消耗，能源危机和温室效应是21世纪地球上最关键的两个问题，寻找可再生的清洁能源对于保证人类社会的长远发展是十分迫切和必要的。其中，光催化还原二氧化碳是一种有效手段，它降低二氧化碳水平的同时，也生成CH3OH和CH4等燃料。然而，光催化还原CO2的电子
‑
空穴复合速率高、还原驱动力要求大、CO2吸收能力低、光利用效率低等问题仍然极大地限制了其在实际中的应用。尤其是电子转移到CO2以实现CO2活化的过程还很难实现。
[0003]自从2004年发现石墨烯GF(Graphene)以来，这种二维(2D)sp2杂化材料因其特殊的物理化学性质在光催化应用中得到了广泛的应用，特别是含有大孔和互连网络的三维(3D)石墨烯骨架的成功制备进一步激发了这一领域的研究兴趣。3D石墨烯骨架的互联结构不仅保持了2D石墨烯纳米颗粒的优良固有性质，也使在这种3D结构中耦合半导体纳米颗粒成为可能。
[0004]在石墨烯晶格中引入外来原子会导致石墨烯上的电子自旋密度和电荷重新分布的扭曲，从而在石墨烯表面形成一个独特的“活化区”，可以作为光催化反应的活性中心。而在各种掺杂剂中，因为氮是碳的近邻元素，易于掺杂，所以氮掺杂石墨烯得到了广泛的关注，另外，掺杂的氮还可以作为吸附CO2分子的碱性中心，改善二氧化碳的吸收性能。因此，氮掺杂的三维石墨烯骨架有望成为一种理想的助催化剂和载体，与半导体光催化剂偶联，以增强CO2的吸附和光催化性能。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法，以解决现有光催化还原二氧化碳效率不高的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的:
[0007]一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、以石墨粉为原料，制备氧化石墨烯悬浮液；
[0009]S2、三聚氰胺海绵经预处理后，浸渍于所述氧化石墨烯悬浮液中，得到氧化石墨烯复合海绵，将所述氧化石墨烯复合海绵干燥后进行第一次煅烧，去除聚合物模板，得到三维的氮掺杂还原氧化石墨烯3DN
‑
rGO；
[0010]S3、将醋酸锌分散于乙醇中，形成混合液A，将3DN
‑
rGO浸泡于混合液A中，通过第二次煅烧形成ZnO晶种N
‑
rGO；
[0011]S4、将硝酸锌、尿素和六亚甲基四胺混合，形成混合液B，将所述ZnO晶种N
‑
rGO浸泡
于混合液B中，搅拌均匀后进行水热反应，将反应产物漂洗后进行第三次煅烧，后处理即得到ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料。
[0012]在上述技术方案中，可选地，S1中，所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为2.3g/L。
[0013]在上述技术方案中，可选地，S2中，所述预处理为将所述三聚氰胺海绵用乙醇清洗后，在80℃下干燥12h。
[0014]在上述技术方案中，可选地，S2中，所述第一次煅烧的煅烧温度为500
‑
600℃，煅烧时间为0.5
‑
3.5min。
[0015]在上述技术方案中，可选地，S3中，所述醋酸锌与所述3DN
‑
rGO的质量比为0.1
‑
20％，所述第二次煅烧的煅烧温度为190
‑
210℃，煅烧时间为18
‑
22min。
[0016]在上述技术方案中，可选地，S4中，所述硝酸锌、所述尿素与所述六亚甲基四胺三者的摩尔比为(0.1
‑
1)：(0.1
‑
1)：(0.1
‑
1)。
[0017]在上述技术方案中，可选地，S4中，所述水热反应的温度为60
‑
120℃，反应时间为10
‑
14h。
[0018]在上述技术方案中，可选地，S4中，所述第三次煅烧的煅烧温度为440
‑
460℃，煅烧时间为1
‑
1.5h。
[0019]本专利技术另一目的在于提供一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料，采用上述所述的ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料的制备方法制得，所述复合材料包括3D氮掺杂rGO纳米管骨架和生长在所述3D氮掺杂rGO纳米管骨架表面的ZnO纳米线阵列，所述3D氮掺杂rGO纳米管骨架为网状多孔结构，所述ZnO纳米线阵列垂直布设覆盖在所述所述3D氮掺杂rGO纳米管骨架表面。
[0020]本发第三目的在于提供一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料在光催化还原二氧化碳领域的应用。
[0021]相对于现有技术，本专利技术提供的ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料及其制备方法和应用具有以下优势：
[0022](1)本专利技术采用3DN
‑
rGO纳米管骨架，不仅有利于ZnO纳米管的均匀生长，还可以有效地改善电子
‑
空穴对的分离，同时还可以作为CO2的吸附和还原活性中心，由此通过在3DN
‑
rGO上原位生长ZnO纳米线阵列来促进CO2的活化和还原。
[0023](2)本专利技术制备的ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料现出优异的光催化活性，同时具有很好的CO2吸附性能，促进了光生载流子的分离，用于光催化还原二氧化碳催化效果好。
附图说明
[0024]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一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1(a)为本专利技术实施例所述的GO、N
‑
RGO、ZnO/N
‑
RGO和ZnO的XRD图谱；图1(b)为三聚氰胺泡沫、N
‑
rGO、ZnO/N
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rGO和ZnO的TG曲线；图1(c)为GO、NrGO、ZnO/N
‑
RGO和ZnO的拉曼光谱；图1(d)为GO和N
‑
rGO的ATR
‑
FTIR光谱；
[0026]图2为本专利技术实施例所述的ZnO、ZnO/N
‑
rGO和N
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rGO的氮吸附
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脱附等温线和相应的孔径分布曲线(插图)；
[0027]图3为本专利技术实施例所述的ZnO、ZnO/N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以石墨粉为原料，制备氧化石墨烯悬浮液；S2、三聚氰胺海绵经预处理后，浸渍于所述氧化石墨烯悬浮液中，得到氧化石墨烯复合海绵，将所述氧化石墨烯复合海绵干燥后进行第一次煅烧，去除聚合物模板，得到3DN
‑
rGO；S3、将醋酸锌分散于乙醇中，形成混合液A，将3DN
‑
rGO浸泡于所述混合液A中，通过第二次煅烧形成ZnO晶种N
‑
rGO；S4、将硝酸锌、尿素和六亚甲基四胺混合，形成混合液B，将所述ZnO晶种N
‑
rGO浸泡于所述混合液B中，搅拌均匀后在高压水热釜内进行水热反应，将反应产物漂洗后进行第三次煅烧，后处理即得到ZnO纳米线阵列/三维氮掺杂rGO纳米管复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为2.3g/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述预处理为将所述三聚氰胺海绵用乙醇清洗后，在80℃下干燥12h。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述第一次煅烧的煅烧温度为500
‑
600℃，煅烧时间为0.5
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3.5min。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述醋酸锌与所述3DN
‑
rGO的质量比为0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，邵帅，汪铁林，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：