一种碳量子点/ZnO复合光催化剂的合成方法

技术领域

本发明涉及光催化材料的制备技术领域，具体涉及一种碳量子点/ZnO复合光催化剂的合成方法。

背景技术

在快速发展的今天，环境污染特别是水体污染成为人们必须面对的难题，化工、纺织、染料、制药、皮革等行业的快速发展，使水体中出现大量有害物质，严重破坏了人类和海洋中水生生物的生活环境。如何处理粗放型经济发展模式带来的负面影响，并采用有效的方法处理水体污染，这是人们急需解决的问题。

ZnO是一种重要的半导体材料，纳米ZnO材料在许多技术领域得到了广泛的应用。由于ZnO具有表面活性高、化学性质稳定、以及在自然界中含量丰富等优点，因而在光催化领域表现出潜在的应用价值。然而，快速重组的光生电子和空穴使ZnO光催化效率降低，宽带隙的特性使它对可见光几乎没有响应，这些都限制了ZnO的进一步应用。研究者们已经通过对ZnO进行改性，拓宽其光响应范围，抑制光生电子和空穴复合，从而有助于提升ZnO的光催化性能。如Wang J等认为氧空位是一种不引入任何杂质元素的自掺杂方法，成功地在ZnO中引入高浓度的氧空位，氧空位的增加导致带隙的缩小，增加了ZnO的可见光吸收，ZnO在可见光照射下光电流响应增强(Wang J,et al.,ACS Applied Materials&Interfaces,2012,4(8),4024-4030.)。Sin J C等用液相沉淀法合成稀土掺杂纳米氧化锌微球，与纯ZnO和商业TiO

此外，碳量子点作为一种新型的碳材料，以其优异的光学性能、良好的化学惰性等特性迅速引起人们的广泛研究。碳量子点对光激发波长没有依赖性，具有快速光生电子传递能力、功能化表面可控能力，可以很好提升材料的光催化性能。对于如何简便、高效地制备出具有良好的可见光催化性能的由碳量子点与纳米ZnO材料结合而成的复合物，是目前研究的重要课题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种碳量子点/ZnO复合光催化剂的合成方法，该方法合成的碳量子点/ZnO复合光催化剂，碳量子点均匀分布在ZnO纳米粒子表面，提高了ZnO纳米微粒的分散性，从而有助于增大催化剂的比表面积；且提供了更多的活性位点，碳量子点/ZnO复合光催化剂的光催化效果显著高于单独的ZnO催化剂材料。

为实现上述目的，本发明提供了一种碳量子点/ZnO复合光催化剂的合成方法，其包括以下步骤：

(1)取风干甘蔗皮加入到蒸馏水中，超声波破碎，得到悬浊液；

(2)将步骤(1)中的悬浊液全部转移至反应容器内，置于烘箱中以180-220℃反应4-8h，反应完成后自然冷却至室温，再将反应容器中的溶液转移至透析袋中透析24-48h得到碳量子点溶液；

(3)取2-甲基咪唑于蒸馏水中，磁力搅拌均匀，向其中滴加入Zn(NO

(4)将步骤(3)中得到的ZIF-8以4-6℃/min升温速度升温至500-600℃，煅烧3-5h，热解得到白色固体产物为ZnO纳米材料；

(5)将步骤(4)中得到的ZnO纳米材料分散在步骤(2)中得到的碳量子点溶液中，再向其中加入无水乙醇和蒸馏水，磁力搅拌3-5h；

(6)将步骤(5)中经磁力搅拌后得到的溶液在120-160℃反应2-8h，反应完成后冷却至常温，然后将冷却后的产物依次经离心、洗涤处理，最后置于50-80℃烘箱中干燥6-8h，得到碳量子点/ZnO复合光催化剂。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤(1)中，按每25-200mg风干甘蔗皮的用量，对应的蒸馏水的用量为40mL，且超声波破碎的时间为30-90min。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤(3)中，按每2.000g 2-甲基咪唑的用量为基准，对应的蒸馏水的用量为90mL，浓度为50-200mg·mL

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤(5)中，按每0.075g的ZnO纳米材料的用量为基准，对应的碳量子点溶液为5-20mL，无水乙醇的用量为6mL，蒸馏水的用量为10mL。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤(1)中的反应容器为内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤(4)中通过马弗炉将ZIF-8以4-6℃/min的升温速度升温至500-600℃，然后煅烧3-5h。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤(6)中通过高压反应釜将经磁力搅拌后得到的溶液在120-160℃反应2-8h。

本发明的碳量子点/ZnO复合光催化剂的合成方法，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：

1)本发明以风干甘蔗皮为前驱体制备碳量子点，很好地实现了生物质的资源化利用，且降低了材料的生产成本；

2)本发明的合成方法简单易操作，重复性好；

3)本发明合成的碳量子点/ZnO复合光催化剂，碳量子点均匀分布在ZnO纳米粒子表面，提高了ZnO纳米微粒的分散性，从而有助于增大催化剂的比表面积；且提供了更多的活性位点，碳量子点/ZnO复合光催化剂的光催化效果显著高于单独的ZnO催化剂材料；

4)本发明合成的碳量子点/ZnO复合光催化剂，碳量子点的加入能够抑制ZnO光生电子和空穴的复合，利用碳量子点的上转换效应，拓宽了光响应范围，从而大大提高了碳量子点/ZnO复合光催化剂的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例1中产物的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)照片；

图2为实施例1中产物的X射线衍射图(XRD)；

图3为碳量子点/ZnO复合物的红外光谱图；

图4为碳量子点/ZnO复合物对罗丹明B的光催化性能的对比图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

称取25mg风干甘蔗皮于40mL蒸馏水中，超声波破碎60min得到澄清溶液；

将上述澄清溶液全部转移至内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中(体积填充率为80％)，将高压釜置于烘箱中200℃反应4h，待自然冷却至室温后，将过滤得到的溶液转移至透析袋中透析48h得到碳量子点溶液；

准确称取2.000g 2-甲基咪唑于90mL蒸馏水中，磁力搅拌得均匀溶液，向其中逐滴加入10mL 75mg·mL

将ZIF-8放入马弗炉中以5℃/min进行升温至550℃，煅烧4h，热解得到白色固体产物ZnO纳米材料；

准确称取上述制备的0.075g ZnO纳米材料分散在12.5mL碳量子点溶液中，再向其中依次加入6mL无水乙醇和10mL蒸馏水，磁力搅拌4h，磁力搅拌结束后，将溶液全部转移至高压反应釜中，在140℃反应4h，冷却后的产物依次经离心、洗涤，最后置于70℃烘箱中干燥8h，最终制备得到碳量子点/ZnO复合物，即碳量子点/ZnO复合光催化剂。

对本实施例制备的产物通过电子显微镜扫描、X射线衍射及红外光谱图测试，参阅图1-3所示。

图1为碳量子点/ZnO复合物的HRTEM图，由图可见，尺寸为2-5nm的碳量子点均匀分布在ZnO纳米粒子表面，小尺寸的碳量子点有效负载在ZnO纳米微粒表面，有助于抑制ZnO纳米微粒的团聚，增大ZnO纳米微粒的比表面积，提供更多的活性位点，有望获得更好的光催化效果。图2为碳量子点/ZnO复合物的XRD图，复合物在31.73°、34.36°、36.21°、47.47°、56.53°、62.75°、66.29°、67.85°和68.99°处出现的衍射峰，分别对应于ZnO(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)和(201)晶面，与六角纤锌矿型ZnO相一致(JCPDSNo.36-1451)，说明产物中的ZnO具有六角纤锌矿型结构。2θ＝20～30°范围间未发现显著的衍射峰，这可能使由于碳量子点的量太少，XRD未检测到碳的衍射峰引起的。为了证实碳量子点的存在，研究了碳量子点/ZnO复合物的FT-IR谱图，如图3所示。FT-IR图中在波数430cm

为了研究本发明所制备产物的吸附性，下面以10mg·L

实施例2-33

采用表1中碳量子点溶液的用量及其它实验条件，按照与实施例1所述的制备过程制备碳量子点/ZnO复合光催化剂。

表1.实施例2-33中各种实验条件及光催化降解RhB性能比较

根据表1中实验数据可知：

(1)当风干甘蔗皮用量较低时(如25mg)，溶剂热时间较短(如4h)，即可合成碳量子点溶液，且与较低浓度Zn(NO

(2)当风干甘蔗皮用量较多时(如200mg)，需要较长的溶剂热时间(如8h)，且参与复合的Zn(NO

综上所述，为了使更多的罗丹明B被降解，需要增加风干甘蔗皮的用量、提高溶剂热时间和较高浓度的Zn(NO

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。