【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化剂的制备及结构调控，涉及基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料，还涉及基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法。
技术介绍
1、近年来，随着经济的不断发展和环境污染的日益加剧，水体的有机污染物处理受到广泛关注。处理废水中有机污染物的传统方法主要包括物理吸附、化学氧化和生物降解等，但存在能耗高、对环境有二次污染和降解速度慢等局限性。光催化技术是一种新型的“绿色可持续”技术，它具有环保、高效、低能耗、无二次污染、应用范围广等优点。光催化过程主要由四个部分组成：(1)催化剂吸附污染物；(2)催化剂吸收光子后发生电子跃迁，产生电子-空穴对；(3)光生载流子分离并转移至材料表面；(4)分别发生氧化还原反应。因此制备出催化效率高、使用寿命长、制备成本合适的光催化材料是至关重要的。
2、氧化锌是一种储量丰富、价格低廉的新型无机半导体材料，其具有较高的光催化活性。但由于小尺寸效应，氧化锌在纳米级尺寸才能实现较高的光催化效率，然而纳米级氧化锌具有比表面积大和比表面能高等特点，自身易团聚，表面极性较强，在介质中不易均匀分散，导致氧化锌的比表面积低、光催化氧化反应活性位点少；此外，常温下氧化锌的禁带宽度约为3.37ev，导电性较差，光生电子-空穴对易复合，导致量子效率低，且对太阳光谱响应范围窄(波长短于368nm部分)，对太阳光的利用率低(仅3％左右)；以金属或有机物作为氧化锌的负载材料，虽然能在一定程度上弥补氧化锌的上述不足，但光腐蚀效应导致负载催化剂的材料本身也会遭到分解，一旦催化粒子脱落，材料就会失效
3、常见的纳米氧化锌改性方法有贵金属沉积法：由于半导体的功函数比金属原子低，用金属原子改性半导体时，产生的电子会迁移至金属原子以持平两者的费米能级，电荷转移会弯曲半导体能带，在界面处会产生浅势肖特基势垒，能减少氧化锌中光生载流子的复合，可提高光催化性能，但由于贵金属成本太高，不适宜广泛应用。例如，马林(国家专利技术专利公开号：cn107497427b)公开了一种可降解甲醛的银/石墨烯/氧化锌复合材料制备方法。所得到的ag/石墨烯/zno复合材料利用银纳米粒子在可见光下产生表面等离子共振效应，发挥光催化效果。(2)半导体复合法：半导体与氧化锌复合后，会形成中间能级，将光生载流子迁移至氧化锌的导带上，可有效地促进光生载流子分离，提高光催化活性，但制备工艺复杂，不具备一般性。例如，李以名等人(国家专利技术专利公开号：cn113000068a)公开了一种高效光催化性能的zno@zif-8核壳纳米复合材料的制备方法。所制备的复合材料具有仅为2-5nm的zif-8壳层厚度，在可见光条件下展现出优异的光降解性能。(3)引入载体法：合适地催化剂载体能够有效提高催化活性，降低生产成本以及增强稳定性，催化剂载体材料选取具有较大比表面积，且能够有效固定催化材料等特征的材料，然而由于载体材料与催化材料的结合可能会使催化剂发生团聚，影响催化活性。例如，张静婷等人(国家专利技术专利公开号：cn112908716a)公开了一种硅藻土为载体的氧化锌石墨烯复合电极材料。通过材料复合，显著增加了电解液和电极材料的浸润面积和离子传输效率，但其耐久度和防脱落特性还有待提高。
技术实现思路
1、本专利技术的第一个目的是提供基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料，以解决纳米氧化锌分散难、导电性差、太阳光利用率低及光腐蚀严重的问题。
2、本专利技术的第二个目的是提供基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法。
3、本专利技术所采用的第一个技术方案是，基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
4、步骤1，将氧化石墨烯水溶液、锌盐溶液与蒸馏水混合均匀，分四次向上述混合溶液中滴加碱性溶液，并不断搅拌均匀使碱与混合溶液充分反应，得到前驱体溶胶；
5、步骤2，将步骤1得到的前驱体溶胶进行真空抽滤，浓缩老化后得到湿凝胶；
6、步骤3，将步骤2得到的湿凝胶放入冷冻干燥机中进行快速冷冻和冷冻干燥，得到氢氧化锌/氧化石墨烯复合气凝胶；
7、步骤4，将步骤3得到的氢氧化锌/氧化石墨烯复合气凝胶放入恒温箱或者管式炉中进行热处理，使氢氧化锌分解为氧化锌，同时使氧化石墨烯被部分还原成石墨烯，得到氧化锌/石墨烯复合气凝胶。
8、本专利技术的特征还在于：
9、步骤1中所使用的氧化石墨烯为单层氧化石墨烯或少层工业级氧化石墨烯；制备前驱体溶胶所需的氧化石墨烯水溶液、锌盐溶液、蒸馏水及碱性溶液的体积比为：36～60:4～30:4～30:12～35。
10、步骤1中所使用的氧化石墨烯水溶液中的氧化石墨烯浓度为3mg/ml～12mg/ml。
11、步骤1中所使用碱性溶液选自氢氧化钾、氨水、尿素、乙二胺和氢氧化钠中的一种或者多种任意比混合；步骤1中所使用的碱性溶液的浓度为0.1mol/l～1mol/l。
12、步骤1中所使用锌盐选自硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌和氯化锌中的一种或者多种任意比混合；步骤1中所使用的锌盐溶液的浓度为1mol/l。
13、步骤1中所涉及的碱性溶液与其他原料充分反应是指在10～40℃水浴条件下反应；步骤1中所涉及的分四次向上述混合溶液中滴加碱性溶液的操作是指每隔1min加入等量的碱性溶液并迅速搅拌均匀，共加入四次。
14、步骤2中所涉及的抽滤操作要在加完四次碱性溶液1min后立刻开始；步骤2中所涉及的抽滤操作持续时间为5min～2h。
15、步骤3中所涉及的将样品快速冷冻至完全凝固所用时间为1h～3h；步骤3中所涉及的样品完全凝固后进行抽真空操作，所需时间为22h～30h。
16、步骤4中所涉及的将步骤3得到的氢氧化锌/氧化石墨烯复合气凝胶放入恒温箱或者管式炉中进行热处理，其温度选择范围为100℃～600℃；步骤4中所涉及的对样品的热处理时间为1.5h～4.0h。
17、本专利技术所采用的第二个技术方案是，基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料，采用上述方法制备得到。
18、本专利技术的有益效果是：
19、(1)本专利技术方法涉及的工艺简单、易于操作，制备得到的氧化锌/石墨烯复合气凝胶具有比较均匀的颗粒结构，且光催化效率和循环稳定性都要明显优于纯净氧化锌，本专利技术提供的氧化锌/石墨烯复合气凝胶的制备方法有效地改善了纳米氧化锌分散难、导电性差、太阳光利用率低及光腐蚀严重的问题。
20、(2)本专利技术材料利用石墨烯作为氧化锌催化剂的载体材料，将氧化锌和石墨烯进行复合，进而提高纳米氧化锌的光催化降解有机染料的效率。石墨烯气凝胶是一种具有高比面积和可延展性、高导电性和抗腐蚀性的多孔碳纳米材料，可以将它作为一种理想的催化剂载体。将氧化锌与石墨烯复合，其高表面积和可延展性可有效抑制催化剂团聚，高导电性可有效提高光生载流子的分离效率提高其光催化活性，抗腐蚀性可提高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用的氧化石墨烯为单层氧化石墨烯或少层工业级氧化石墨烯；制备前驱体溶胶所需的氧化石墨烯水溶液、锌盐溶液、蒸馏水及碱性溶液的体积比为：36～60:4～30:4～30:12～35。
3.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用的氧化石墨烯水溶液中的氧化石墨烯浓度为3mg/mL～12mg/mL。
4.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用碱性溶液选自氢氧化钾、氨水、尿素、乙二胺和氢氧化钠中的一种或者多种任意比混合；所述步骤1中所使用的碱性溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L。
5.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用锌盐选自硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌和氯化锌中的
6.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所涉及的碱性溶液与其他原料充分反应是指在10～40℃水浴条件下反应；所述步骤1中所涉及的分四次向上述混合溶液中滴加碱性溶液的操作是指每隔1min加入等量的碱性溶液并迅速搅拌均匀，共加入四次。
7.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中所涉及的抽滤操作要在加完四次碱性溶液1min后立刻开始；所述步骤2中所涉及的抽滤操作持续时间为5min～2h。
8.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中所涉及的将样品快速冷冻至完全凝固所用时间为1h～3h；所述步骤3中所涉及的样品完全凝固后进行抽真空操作，所需时间为22h～30h。
9.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中所涉及的将步骤3得到的氢氧化锌/氧化石墨烯复合气凝胶放入恒温箱或者管式炉中进行热处理，其温度选择范围为100℃～600℃；所述步骤4中所涉及的对样品的热处理时间为1.5h～4.0h。
10.基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述方法制备得到。
...【技术特征摘要】
1.基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用的氧化石墨烯为单层氧化石墨烯或少层工业级氧化石墨烯；制备前驱体溶胶所需的氧化石墨烯水溶液、锌盐溶液、蒸馏水及碱性溶液的体积比为：36～60:4～30:4～30:12～35。
3.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用的氧化石墨烯水溶液中的氧化石墨烯浓度为3mg/ml～12mg/ml。
4.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用碱性溶液选自氢氧化钾、氨水、尿素、乙二胺和氢氧化钠中的一种或者多种任意比混合；所述步骤1中所使用的碱性溶液的浓度为0.1mol/l～1mol/l。
5.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化锌/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所使用锌盐选自硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌和氯化锌中的一种或者多种任意比混合；所述步骤1中所使用的锌盐溶液的浓度为1mol/l。
6.根据权利要求1所述的基于原位生长凝胶的氧化...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁志浩，沈洋，袁佩，崔真，李恩玲，马德明，成凤娇，钱永光，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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