一種ZnO/WO3異質結陣列的合成方法與流程
2023-06-13 04:22:27 2
本發明屬於複合納米材料的合成技術領域，具體涉及一種ZnO/WO3異質結陣列的合成方法。
背景技術：
能源和環境問題是當前限制社會與科技發展的重要瓶頸，因此開發基於半導體納米材料的新能源材料引起研究者的廣泛關注。例如TiO2、WO3、ZnO和SnO2等多種半導體材料用於太陽能電池、光電催化等光電轉換電子器件，實現了太陽能到電能和化學能的轉化，對於解決傳統化石能源不足以及環境問題具有深遠的理論和實踐意義。
ZnO價格低廉，原料來源廣泛，具有較高的電子遷移率，廣泛應用於光催化降解汙染物、光解水制氫和太陽能電池等多個領域。但是ZnO是寬帶隙半導體，只能利用太陽光中的紫外光部分，而紫外光只佔太陽光譜的3%-4%，極大的限制了ZnO對太陽光的利用效率。為了提高ZnO對太陽光的捕獲效率，通常採用元素摻雜、量子點敏化、等離子金屬修飾和與窄帶隙半導體複合形成異質節等方法。WO3的帶隙是2.4eV，與ZnO複合之後可以拓寬對太陽光的響應範圍，而且WO3與ZnO可以形成II型半導體，光生電子從WO3的導帶躍遷至ZnO2的導帶，光生空穴留在價帶，有利於光生電荷的分離，對於提高ZnO/WO3的光催化及光電催化性能有至關重要的意義。
公開號為CN103071482A的專利公開了一種利用球磨法製備ZnO/WO3粉體的方法，該方法製得的ZnO/WO3粉體光催化活性與ZnO相比有所提高，但是ZnO/WO3粉體在作為光電極時由於大量晶界的存在，導致光生電荷的複合效率提高，作為光電化學分解水的光電極時性能會受到影響。而ZnO/WO3異質結陣列中，一維的ZnO納米棒陣列有利於光生電荷的傳輸，WO3可以提高異質結對入射光的捕獲效率以及提高光生電子向ZnO的注入效率，提高ZnO/WO3異質結陣列的光電催化活性。因此，設計異質結構納米材料ZnO/WO3作為光陽極可以提高光陽極對入射光的利用效率和光生電子空穴的分離效率，具有較高的光催化效率。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是提供了一種簡便且利用晶種浸泡及兩步水熱處理的ZnO/WO3異質結陣列的合成方法。
本發明為解決上述技術問題採用如下技術方案，一種ZnO/WO3異質結陣列的合成方法，其特徵在於具體步驟為：
（1）將6.585g醋酸鋅加入到100mL乙醇中攪拌至溶液澄清，再加入3mL二乙醇胺繼續攪拌得到前驅物溶液，將導電玻璃浸泡在前驅物溶液中，取出並自然晾乾得到覆蓋ZnO晶種的導電玻璃；
（2）將步驟（1）得到的覆蓋ZnO晶種的導電玻璃置於裝有0.5488g醋酸鋅、0.0517g聚乙烯亞胺、0.3505g環六亞甲基四胺和100mL去離子水的容器中，於80-110℃油浴加熱1-10h，自然冷卻至室溫，取出樣品清洗乾淨後自然晾乾，於500℃退火2h得到生長有ZnO納米棒陣列的導電玻璃；
（3）將0.25g仲鎢酸銨加入到25mL乙醇-水混合溶液中，然後加入0.5mL質量濃度為37%的鹽酸溶液和0.5mL質量濃度為30%的雙氧水，攪拌均勻後倒入水熱反應釜中，將步驟（2）得到的生長有ZnO納米棒陣列的導電玻璃置於上述水熱反應釜中，於160℃水熱反應1-4h，自然冷卻至室溫，取出樣品清洗乾淨後自然晾乾，於400℃煅燒2h得到ZnO/WO3異質結陣列。
進一步優選，步驟（3）所述的乙醇-水混合溶液中乙醇與水的體積比為1/2-2。
本發明利用晶種浸泡和兩步水熱法合成了ZnO/WO3異質結陣列，WO3具有相對較窄的帶隙，可以拓寬對太陽光的捕獲範圍，ZnO和WO3的還可以發揮協同作用，提高電子-空穴對的分離效率，進而提高光催化分解水的效率，而且該合成方法工藝簡單，環境友好，有利於大規模生產。
附圖說明
圖1是本發明實施例1製得的ZnO納米棒陣列的場發射掃描電鏡圖片；
圖2是本發明實施例1製得的ZnO/WO3異質結陣列的場發射掃描電鏡圖片。
具體實施方式
以下通過實施例對本發明的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本發明上述內容實現的技術均屬於本發明的範圍。
實施例1
（1）將6.585g醋酸鋅加入到100mL乙醇溶液中攪拌2h，再加入3mL二乙醇胺繼續攪拌2h，得到前驅物溶液，將導電玻璃（FTO）浸泡在前驅物溶液中30min，得到覆蓋ZnO晶種的FTO；
（2）將0.5488g醋酸鋅和0.0517g聚乙烯亞胺加入到100mL去離子水中在冰浴中攪拌30min，然後加入0.3505g環六亞甲基四胺繼續攪拌30min，最後將步驟（1）得到的覆蓋ZnO晶種的FTO置於上述溶液中，於80℃油浴加熱10h，自然冷卻至室溫，取出樣品清洗乾淨後自然晾乾，然後置於馬弗爐中於500℃退火2h得到生長有ZnO納米棒陣列的FTO；
（3）將0.25g仲鎢酸銨加入25mL體積比為1:1的乙酸和水混合溶液中，攪拌10min，然後加入0.5mL質量濃度為37%的濃鹽酸溶液，繼續攪拌1h，再加入0.5mL質量濃度為30%的雙氧水，繼續攪拌1h，形成均勻的混合溶液，將步驟（2）得到的生長有ZnO納米棒陣列的FTO置於50mL的水熱反應釜，然後將上述混合溶液轉移至水熱反應釜中於160℃水熱反應1h，最終製得ZnO/WO3異質結陣列。
圖1是本實施例第一步水熱反應得到的ZnO納米棒陣列的場發射掃描電鏡圖片，從圖中可以看出ZnO納米棒的頂端顯示六邊形，說明了ZnO具有六方結構。圖2為製備的ZnO/WO3異質結陣列的場發射掃描電鏡圖片，由圖可知片狀的WO3生長在ZnO納米棒上形成異質結構。
實施例2
（1）將6.585g醋酸鋅加入到100mL乙醇溶液中攪拌2h，再加入3mL二乙醇胺繼續攪拌2h，得到前驅物溶液，將FTO浸泡在前驅物溶液中30min，得到具有ZnO晶種的FTO；
（2）將0.5488g醋酸鋅和0.0517g聚乙烯亞胺加入到100mL去離子水中在冰浴中攪拌30min，然後加入0.3505g環六亞甲基四胺繼續攪拌30min，最後將步驟（1）得到的具有ZnO晶種的FTO置於上述溶液中於95℃油浴加熱5h，自然冷卻至室溫，取出樣品清洗乾淨後自然晾乾，然後置於馬弗爐中於500℃煅燒2h得到生長有ZnO納米棒陣列的FTO；
（3）將0.25g仲鎢酸銨加入25mL體積比為1:2的乙酸和水混合溶液中，攪拌10min，然後加入0.5mL質量濃度為37%的濃鹽酸溶液，繼續攪拌1h，再加入0.5mL質量濃度為30%的雙氧水，繼續攪拌1h，形成均勻的混合溶液，將步驟（2）得到的生長有ZnO納米棒陣列的FTO置於50mL的水熱反應釜，然後將上述混合溶液轉移至水熱反應釜中於160℃水熱反應4h，最終製得ZnO/WO3異質結陣列。
實施例3
（1）將6.585g醋酸鋅加入到100mL乙醇溶液中攪拌2h，再加入3mL二乙醇胺繼續攪拌2h，得到前驅物溶液，將FTO浸泡在前驅物溶液中30min，得到具有ZnO晶種的FTO；
（2）將0.5488g醋酸鋅和0.0517g聚乙烯亞胺加入到100mL去離子水中在冰浴中攪拌30min，然後加入0.3505g環六亞甲基四胺繼續攪拌30min，最後將步驟（1）得到的具有ZnO晶種的FTO置於上述溶液中於110℃油浴加熱1h，自然冷卻至室溫，取出樣品清洗乾淨後自然晾乾，然後置於馬弗爐中於500℃煅燒2h得到生長有ZnO納米棒陣列的FTO；
（3）將0.25g仲鎢酸銨加入到25mL體積比為2:1的乙酸和水混合溶液中，攪拌10min，然後加入0.5mL質量濃度為37%的濃鹽酸溶液，繼續攪拌1h，再加入0.5mL質量濃度為30%的雙氧水，繼續攪拌1h，形成均勻的混合溶液，將步驟（2）得到的生長有ZnO納米棒陣列的FTO置於50mL的水熱反應釜，然後將上述混合溶液轉移至水熱反應釜中於160℃水熱反應2h，最終製得ZnO/WO3異質結陣列。
以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明原理的範圍下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發明保護的範圍內。