納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料及其製備方法

2023-05-15 01:24:31

專利名稱：納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料，該複合材料在可見光光源下具有光催化性能，本發明還提供該複合材料的製備方法，屬於納米材料加工和應用的技術領域。
背景技術：
自從1972年Fujishima等提出多相光催化技術以來，光催化消除和降解汙染物已成為環境領域較為活躍的一個研究方向。利用半導體材料作為光催化劑降解去除環境中的有機物近年來引起了國內外的關注。其原因在於半導體氧化物材料在光照下表面能受激活化，利用光能可有效地氧化分解汙染物、還原重金屬離子、殺滅細菌和消除異味。由於光催化技術可以利用太陽能在室溫條件下發生反應，比較經濟；光催化劑本身無毒、無害、無腐蝕性，可反覆使用；可將有機汙染物完全礦化成水和無機離子，無二次汙染，所以有著傳統的高溫、常規催化技術及吸附技術無法比擬的誘人魅力，是一種具有廣闊應用前景的綠色環境治理技術。
納米ZnO是一種重要的半導體材料，由於它具有較大的能隙寬度(和氮化鎵相似)而具有良好的發光、光電轉換、紫外吸收等性能，廣泛應用於場發射材料、氣敏元件、防紫外塗料、發光材料、光電轉換材料、橡膠、陶瓷、塗料、日用化工材料，可以用來製造發光電極、橡膠添加劑、氣體傳感器、紫外線遮蔽材料、變壓器和多種光學裝置。除此之外，納米氧化鋅還具有光催化活性，可以以太陽光作為光源降解有機汙染物，這將使它在環境汙染治理方面扮演極其重要的角色。由於其具有廣泛的應用前景，而被譽為面向21世紀的現代功能材料。
近年來，人們對於光催化劑的研究主要致力於尋找光活性好、光催化活性高、光吸收範圍廣、經濟價廉的材料，特別是對太陽光或可見光敏感的材料，以便利用光催化開發新產品，擴大應用範圍。

發明內容
本發明的一個目的在於提供一種納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料，該複合材料由納米氧化鋅與聚苯乙烯複合而成，其中，納米氧化鋅與聚苯乙烯的重量比為1∶15～10∶1。該複合材料的優點是在可見光光源下具有光催化性能。
本發明的另一個目的在於提供一種製備納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的方法。其特徵在於，將聚苯乙烯溶於第一溶劑中，得聚苯乙烯溶液，第一溶劑是任何一種能溶解聚苯乙烯的溶劑；將尿素的水溶液加入Zn(NO3)2的水溶液，加入第二溶劑，得鹼式碳酸鋅溶液，第二溶劑是甲醇、乙醇、丁醇或正丙醇之一；聚苯乙烯溶液滴加入鹼式碳酸鋅溶液，攪拌均勻、過濾、烘乾，得固態物質；煅燒固態物質，得納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。該方法的優點是工藝簡單、成本低、易於實施和適於工業化生產。
現詳細說明上述的製備方法。一種納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的製備方法，其特徵在於，具體操作步驟(1)製備聚苯乙烯溶液將0.1g～6g的聚苯乙烯溶於第一溶劑中，得5mL～150mL的聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度介於20g/L～40g/L，第一溶劑是任何一種能溶解聚苯乙烯的溶劑；(2)製備鹼式碳酸鋅溶液將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，95℃下繼續攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，攪拌均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液，第二溶劑是低級醇R-OH，其中R＝C1～C4；(3)製備固態物質在(2)步得到的鹼式碳酸鋅溶液中滴加(1)步得到的聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得0.810g～6.698g的固態物質；(4)煅燒固態物質，得產物煅燒(3)步得到的固態物質，煅燒溫度為200℃～500℃，煅燒時間為2～5小時，得0.569g～4.905g的產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
在上述產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料中，納米氧化鋅與聚苯乙烯的重量比為1∶15～10∶1。
與(2)步有關的化學反應的反應簡式為
與(4)步有關的化學反應的反應簡式為
上述的製備方法的進一步特徵在於，第一溶劑是丁酮、丙酮、環己酮、甲苯或硝基苯中的一種。
上述的製備方法的進一步特徵在於，第二溶劑是甲醇或乙醇。
上述的製備方法的進一步特徵在於，第一溶劑是丁酮、丙酮、環己酮、甲苯或硝基苯中的一種，第二溶劑是甲醇或乙醇。
本發明的另一個目的在於提供本發明的複合材料作為光催化劑的應用方法。一種納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料作為光催化劑使汙水光催化降解方法，其特徵在於，在可見光光源下，該複合材料使含甲基橙、蘇丹紅、苯酚、鄰苯二酚之類的汙染物的汙水光催化降解，該複合材料的加入量為每25mL汙水加入30～100mg，汙水的汙染物濃度為1～100mg/L。
上述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料作為光催化劑的應用方法的進一步特徵在於，所述的可見光光源是太陽、螢光燈、滷燈、汞氙燈、金屬滷化物燈、發光二極體或有機物燃燒火焰。
上述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的優點是該複合材料在可見光光源照射下具有光催化性能。本發明的複合材料的製備方法的優點是工藝簡單、成本低、易於實施和適於工業化生產。


圖1納米氧化鋅的TEM(顯微結構照片)。
圖2納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料中的納米氧化鋅的TEM(顯微結構照片)。
比較可知，圖2中的納米氧化鋅的粒子尺寸明顯小於圖1中的納米氧化鋅的粒子尺寸。
圖3納米氧化鋅(a)和納米氧化鋅/聚氯乙烯複合材料(b)的UV-Vis(紫外-可見光)吸收光譜圖。從圖中可看出，納米氧化鋅/聚氯乙烯複合材料的光吸收範圍變寬，對可見光的吸收明顯高於納米氧化鋅對可見光的吸收。
圖4納米氧化鋅的ESR(電子自旋共振)譜圖。
圖5煅燒的聚苯乙烯的ESR譜圖。
圖6納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的ESR譜圖。
圖4、圖5和圖6表明，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的ESR響應比純納米氧化鋅或純聚苯乙烯的ESR響應有明顯的增強。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明做進一步說明。
實施例1(1)將2g聚苯乙烯溶解在50mL第一溶劑，丙酮中，得50mL聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度為40g/L；(2)將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，混合溶液在95℃下攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，甲醇，攪拌至均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液；(3)在鹼式碳酸鋅溶液中滴加聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得2.706g的固態物質；(4)將固態物質在空氣中200℃煅燒5小時，得1.878克產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
實施例2(1)將6g聚苯乙烯溶解在150mL第一溶劑，丙酮中，得150mL聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度為40g/L；(2)將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，混合溶液在95℃下攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，乙醇，攪拌至均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液；(3)在鹼式碳酸鋅溶液中滴加聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得6.698g的固態物質；(4)將固態物質在空氣中300℃煅燒4小時，得4.905g產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
實施例3(1)將5g聚苯乙烯溶解在125mL第一溶劑，丁酮中，得125mL聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度為40g/L；(2)將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，混合溶液在95℃下攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，乙醇，攪拌至均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液；(3)在鹼式碳酸鋅溶液中滴加聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得5.701g的固態物質；(4)將固態物質在空氣中400℃煅燒3小時，得4.151g產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
實施例4(1)將0.25g聚苯乙烯溶解在7.5mL第一溶劑，丁酮中，得7.5mL聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度為33.33g/L；(2)將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，混合溶液在95℃下攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，丁醇，攪拌至均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液；(3)在鹼式碳酸鋅溶液中滴加聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得0.970g的固態物質；(4)將固態物質在空氣中300℃煅燒2小時，得0.685g產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
實施例5(1)將0.5g聚苯乙烯溶解在15mL第一溶劑，甲苯中，得15mL聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度為33.33g/L；(2)將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，混合溶液在95℃下攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，甲醇，攪拌至均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液；
(3)在鹼式碳酸鋅溶液中滴加聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得1.211g的固態物質；(4)將固態物質在空氣中500℃煅燒2小時，得0.857g產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
實施例6(1)將0.1g聚苯乙烯溶解在5mL第一溶劑，環己酮中，得5mL聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度為20g/L；(2)將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，混合溶液在95℃下攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，甲醇，攪拌至均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液；(3)在鹼式碳酸鋅溶液中滴加聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得0.810g的固態物質；(4)將固態物質在空氣中300℃煅燒4小時，得0.569g產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料作為光催化劑使汙水光催化降解方法的實施例實施例7(1)將0.12g的複合材料加入到50mL10mg/L的甲基橙溶液中，攪拌均勻；(2)用15W普通照明用螢光燈光照，螢光燈與液面間距為10cm，用分光光度計測量反應體系中甲基橙的濃度；(3)11小時後，甲基橙的降解率為50％。
實施例8(1)將0.20g複合材料加入到50mL100mg/L的甲基橙溶液中，攪拌均勻；(2)用15W普通照明用螢光燈光照，與液面間距為10cm，用分光光度計測量反應體系中甲基橙的濃度；(3)實驗進行11小時後，甲基橙的降解率為35％。
權利要求
1.一種納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料，其特徵在於，由納米氧化鋅與聚苯乙烯複合而成，其中，納米氧化鋅與聚苯乙烯的重量比為1∶15～10∶1。
2.權利要求1所述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的製備方法，其特徵在於，具體操作步驟(1)製備聚苯乙烯溶液將0.1g～6g的聚苯乙烯溶於第一溶劑中，得5mL～150mL的聚苯乙烯溶液，該溶液的濃度介於20g/L～40g/L，第一溶劑是任何一種能溶解聚苯乙烯的溶劑；(2)製備鹼式碳酸鋅溶液將100mL0.2mol/L的尿素水溶液加入到50mL0.2mol/L的Zn(NO3)2水溶液中，室溫下攪拌至均勻，95℃下繼續攪拌6小時，降溫至室溫，混合溶液中加入50mL第二溶劑，攪拌均勻，得200mL鹼式碳酸鋅溶液，第二溶劑是低級醇R-OH，其中R＝C1～C4；(3)製備固態物質在(2)步得到的鹼式碳酸鋅溶液中滴加(1)步得到的聚苯乙烯溶液，攪拌至均勻，得鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液，將鹼式碳酸鋅-聚苯乙烯溶液過濾、烘乾，得0.810g～6.698g的固態物質；(4)煅燒固態物質，得產物煅燒(3)步得到的固態物質，煅燒溫度為200℃～500℃，煅燒時間為2～5小時，得0.569g～4.905g的產物，納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料。
3.按照權利要求2所述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的製備方法，其特徵在於，第一溶劑是丁酮、丙酮、環己酮、甲苯或硝基苯中的一種。
4.按照權利要求2所述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的製備方法，其特徵在於，第二溶劑是甲醇或乙醇。
5.按照權利要求2所述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料的製備方法，其特徵在於，第一溶劑是丁酮、丙酮、環己酮、甲苯或硝基苯中的一種，第二溶劑是甲醇或乙醇。
6.權利要求1所述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料作為光催化劑使汙水光催化降解方法，其特徵在於，在可見光光源下，該複合材料使含甲基橙、蘇丹紅、苯酚、鄰苯二酚之類的汙染物的汙水光催化降解，該複合材料的加入量為每25mL汙水加入30～100mg，汙水的汙染物濃度為1～100mg/L。
7.按照權利要求6所述的納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料作為光催化劑使汙水光催化降解方法，其特徵在於，所述的可見光光源是太陽、螢光燈、滷燈、汞氙燈、金屬滷化物燈、發光二極體或有機物燃燒火焰。
全文摘要
一種納米氧化鋅/聚苯乙烯複合材料及其製備方法，屬於納米材料加工和應用技術領域。該複合材料由納米氧化鋅與聚苯乙烯複合而成，其中，納米氧化鋅與聚苯乙烯的重量比為1∶15～10∶1。將聚苯乙烯溶於第一溶劑中，得聚苯乙烯溶液，第一溶劑是任何一種能溶解聚苯乙烯的溶劑；將尿素的水溶液加入Zn(NO
文檔編號C08K3/00GK1944519SQ200610027930
公開日2007年4月11日 申請日期2006年6月21日 優先權日2006年6月21日
發明者高海霞, 成榮明 申請人:華東師範大學