一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，属于光催化剂技术领域。本发明专利技术将生物炭与锌盐的混合溶液，在碱性条件下，进行温度为100‑160℃的水热反应得到生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂。本发明专利技术生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂，比表面积大，吸附能力强，对可见光响应，在紫外‑可见光下100min降解亚甲基蓝(MB)污染物效率达到98.71％；本发明专利技术方法利用可再生自然资源生物炭修饰ZnO，其催化活性高，可重复利用，无二次污染；同时制备方法简单，生产成本低，可应用于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法
本专利技术涉及一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，属于光催化剂

技术介绍
近年来，ZnO作为光催化剂被广泛应用和发展，因其具有价格低廉，无毒，稳定性高等优点。由于ZnO能隙宽(3.37ev)，只对紫外光响应，而太阳光中只有不到5％的紫外光，因此对可见光的利用率低；且光催化过程中产生的光生子电子-空穴容易复合，影响光催化效率，同时还伴随着光化学腐蚀现象发生，极大的限制了ZnO的实际应用。为了改善ZnO的光催化效率，提高其利用率，降低电子和空穴的复合，一般采用煅烧法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法和水热法等对ZnO进行改性，包括贵金属掺杂，炭基材料的引入和半导体氧化物的复合。其中，合成的Ag/ZnO、Au/ZnO、Pt-ZnO等复合光催化剂一定程度生提高催化剂的稳定性，拓宽了可见光的吸收，但成本太高，有二次污染的危害；引入的石墨烯、碳纳米管碳等炭基材料也存在着成本高、催化效果不能达到最佳的缺点；利用半导体氧化物合成的二元催化剂ZnO/TiO2、ZnO/Fe2O3、ZnO/Cu2O，普遍工艺复杂、对可见光响应范围较窄、催化性能不能达到最佳、环境不友好。
技术实现思路
本专利技术针对现有ZnO光催化剂成本高、催化效果欠佳的问题，提供一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，本专利技术利用可再生自然资源生物炭修饰ZnO，其催化活性高，可重复利用，无二次污染；同时制备方法简单，生产成本低，可应用于工业化生产。生物炭由有机原料在特定低温(<700℃)缺氧环境下的热分解而成，其高碳质、高比表面积和导电性质有助于有机污染物的矿化，生物炭修饰ZnO的催化剂中生物炭在光催化过程中可以显著抑制光生电子对的快速复合以达到高效降解。一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，具体步骤如下：(1)将生物炭分散于乙醇中得到混合溶液A，将锌盐溶解到混合溶液A中并搅拌预处理1～2h得到混合溶液B；(2)将碱溶液逐滴滴加至混合溶液B反应至体系不再析出沉淀，再超声处理30～60min得到前驱体；(3)前驱体在温度为100～160℃条件下反应8～12h，固液分离，固体洗涤至洗涤液为中性，烘干即得生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂；所述生物炭优选大麻杆活性炭，制备方法为：大麻杆粉碎至平均粒径约为10μm得到大麻杆细料，大麻杆细料经去离子水清洗去除杂质，在温度为60℃，10h烘干去除水分；在Ar2气氛保护下，大麻杆细料在管式炉中以0.1L/min的通气速率、温度为650℃下碳化3h；再以相同的气氛中冷却到室温后，研磨，过300目筛网筛分即得生物炭；所述步骤(1)生物炭与锌盐中Zn2+的摩尔比为1:0.5～3；所述步骤(1)锌盐为Zn(CH3COO)2或Zn(NO3)2.6(H2O)；所述步骤(2)碱溶液为氢氧化钾、氢氧化钠或四甲基碳酸氢铵溶液；优选的，所述碱溶液浓度为0.1～0.5mol/L；优选的，所述步骤(1)搅拌转速为200-500rpm；优选的，所述步骤(3)烘干温度为40～60℃，烘干时间为8～12h。本专利技术生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂，在可见光的照射下，ZnO价带(VB)产生的电子受到激发迁移到导带(CB)，在价带留下空穴(h+)，光照下产生的电子-空穴对与H2O、O2等反应生成羟基自由基(OH·)、超氧基自由基(·O2)等具有强氧化还原性的活性物种，活性物种可将有机污染物矿化、分解成H2O、CO2和其他无机小分子物质，催化过程中，具有高比表面积和发达孔径生物炭迅速吸附污染物，并转移到ZnO表面，产生浓度差以提高光催化效率；此外，ZnO附着在生物炭表面提高了催化剂整体的比表面积，增加了活性位点，同时，生物炭具有良好的电子穿梭能力，与ZnO的协同作用降低光生电子-空穴的复合，提高催化剂的效率。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术生物炭修饰纳米ZnO催化剂，比表面积大，催化活性位点多，吸附能力强，化学性质稳定，生物炭的引入实现了废物利用，成本低，可持续使用；(2)本专利技术生物炭修饰纳米ZnO催化剂的催化效率高，活性强，对光谱范围从<400nm紫外光强烈的吸收，大幅提高了在可见光范围吸收，实现了对可见光的响应，且稳定性好；(3)本专利技术一步水热法制备得生物炭修饰纳米ZnO催化剂，操作简便，水热法合成无污染物的引入，使用该催化剂无二次污染；催化过程中，高比表面积和发达孔径生物炭迅速吸附污染物，并转移到ZnO表面，产生浓度差以提高光催化效率；此外，ZnO附着在生物炭表面提高了催化剂整体的比表面积，增加了活性位点，同时，生物炭具有良好的电子穿梭能力，与ZnO的协同作用降低光生电子-空穴的复合，提高催化剂的效率。附图说明图1为实施例1和2生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的XRD图；图2为实施例1和2生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的SEM图；图3为实施例1生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的紫外-可见漫反射光谱(UV-vis)图；图4为实施例1生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的降解效率图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1：一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，具体步骤如下：(1)将生物炭(大麻杆活性炭)分散于乙醇中得到混合溶液A，将锌盐(硝酸锌)溶解到混合溶液A中并搅拌预处理1h得到混合溶液B；其中大麻杆生物炭(C)和硝酸锌(Zn(NO2)·6H2O)的摩尔比例为1:0.5，搅拌转速为200rmp；(2)将碱溶液(氢氧化钾溶液)逐滴滴加至混合溶液B反应至体系不再析出沉淀，再超声处理60min得到前驱体；其中氢氧化钾溶液浓度为0.1mol/L；(3)前驱体在温度为100℃条件下反应12h，固液离心分离，固体经去离子水洗涤至洗涤液为中性，在温度为40℃下烘干12h即得生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂；本实施例生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂的XRD图见图1，从图1可知，产物为六边铅锌矿结构的氧化锌。由PDF#99-0111显示，ZnO的峰位在31.76°，34.41°，36.25°，47.53°，56.59°，62.85°，66.37°，67.94°和69.08°分别对(100)，(002)，(101)，(102)，(110)，(103)，(200)，(112)和(201)晶面。非晶的生物炭在XRD中没有出现明显的馒头峰。由Scherrer公式计算复合催化剂的平均晶粒尺寸：Dc＝Kλ/(Bcosθ)(λ)；其中K为Scherrer常数取0.89、D为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B为样品衍射峰半高宽度、θ为衍射角、γ为X射线波长(0.154056nm)，计算结果表明复合催化剂的平均尺寸为31nm；本实施例生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂的SEM形貌表征，如图2a所示，复合光催化剂形貌为纳米ZnO颗粒形成3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)将生物炭分散于乙醇中得到混合溶液A，将锌盐溶解到混合溶液A中并搅拌预处理1～2h得到混合溶液B；/n(2)将碱溶液逐滴滴加至混合溶液B反应至体系不再析出沉淀，再超声处理30～60min得到前驱体；/n(3)前驱体在温度为100～160℃条件下反应8～12h，固液分离，固体洗涤至洗涤液为中性，烘干即得生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将生物炭分散于乙醇中得到混合溶液A，将锌盐溶解到混合溶液A中并搅拌预处理1～2h得到混合溶液B；
(2)将碱溶液逐滴滴加至混合溶液B反应至体系不再析出沉淀，再超声处理30～60min得到前驱体；
(3)前驱体在温度为100～160℃条件下反应8～12h，固液分离，固体洗涤至洗涤液为中性，烘干即得生物炭修饰纳米ZnO复合光催化剂。


2.根据权利要求1所述生物炭修饰纳米ZnO复合粉体的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：何亚，王亚飞，曾爱民，张世辉，蒋中鸣，张佳敏，王智毅，胡劲，王开军，段云彪，张维钧，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53