一種二氧化鈦‑氧化鋅納米棒的製備方法與流程
2024-02-17 17:10:15
本發明涉及一種複合納米棒的製備方法，特別是，涉及一種二氧化鈦-氧化鋅納米棒的製備方法。
背景技術：
隨著工業經濟的高速發展，環境汙染問題日趨嚴重，治理環境汙染迫在眉睫。近年來，納米材料以其獨特的性能在環境汙染的治理中成效顯著，尤其在空氣淨化和汙水處理方面存在著重大的應用價值。
二氧化鈦納米顆粒作為一種N型半導體材料，具有優良的光催化性能、化學性質穩定、成本低廉、安全無毒、無二次汙染等特點，在汙水處理、降解農藥、降解空氣中的有害有機物、加速城市生活垃圾的降解等很多方面具有廣闊的發展空間和良好的應用前景。納米氧化鋅作為一種重要的寬禁帶直接帶隙半導體材料，呈現出很多良好的性能，如：具有優越的光催化性能、無毒，無汙染、納米棒不易團聚、具有高的有效表面積等。二氧化鈦納米顆粒與氧化鋅納米棒都是光催化、光伏電池領域最具潛力的好材料，從理論來說，因為二者的禁帶寬度、導帶和價帶非常相近，所以將二者複合後能夠延長光生電子從氧化鋅導帶傳輸到二氧化鈦導帶的傳輸時間，從而提高光生電子和空穴複合的機率，最終實現提高光催化性能的目的。如何實現二者的有效複合是本領域一個亟需解決的技術問題。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種可以有效製備二氧化鈦-氧化鋅納米棒的製備方法。
為解決上述問題，本發明所採用的技術方案如下：
一種二氧化鈦-氧化鋅納米棒的製備方法，包括以下步驟：
S101.配製二氧化鈦和水的混合溶液：將二氧化鈦分散於水中，製得二氧化鈦和水的混合溶液；
S102.配製二氧化鈦和鋅離子混合溶液：向二氧化鈦和水的混合溶液中添加鋅離子並攪拌均勻，製得二氧化鈦和鋅離子混合溶液，其中，二氧化鈦和鋅離子的摩爾比為5～20:1；
S103.配製反應混合液：向二氧化鈦和鋅離子混合溶液中逐滴加入鹼溶液並攪拌均勻，獲得反應混合液，氫氧根的物質的量為鋅離子物質的量的2倍以上；
S104.水熱反應：將反應混合液置於含聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，170～190℃下反應22～26h；
S105.離心、清洗後乾燥：反應結束後離心分離，離心分離獲得的固體物質依次用去離子水、無水乙醇進行離心清洗2～3次後，在70～90℃的真空乾燥箱中烘乾，即得所述二氧化鈦-氧化鋅納米棒材料。
進一步的，所述步驟S101.配製二氧化鈦和水的混合溶液中，採用磁力攪拌器將二氧化鈦分散於水中。
進一步的，所述步驟S101.配製二氧化鈦和水的混合溶液中，所述二氧化鈦為納米顆粒，平均粒徑為15～25nm。
進一步的，所述步驟S101.配製二氧化鈦和水的混合溶液中，所述二氧化鈦由以下方法製得：
將鈦酸四丁酯逐滴加入到聚乙二醇中，攪拌1h後，置於含聚四氟乙烯內襯的不鏽鋼反應釜中，180℃下反應12h，離心、清洗並乾燥後即得。
進一步的，所述步驟S102.配製二氧化鈦和鋅離子混合溶液中，所述鋅離子由二水乙酸鋅、七水合硫酸鋅、六水合硝酸鋅中任一種或幾種提供。
進一步的，所述步驟S102.配製二氧化鈦和鋅離子混合溶液中，二氧化鈦和鋅離子的摩爾比為9～11:1。
進一步的，所述步驟S103.配製反應混合液中，所述鹼溶液為氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀中任一種或幾種。
進一步的，所述步驟S105.離心、清洗後乾燥中，離心分離時轉速為7500～8500rmp。
相比現有技術，本發明的有益效果在於：本發明提供了一種二氧化鈦-氧化鋅納米棒的製備方法，製備獲得的二氧化鈦-氧化鋅納米棒兼具二氧化鈦納米顆粒和納米氧化鋅的優點，具有更好的光催化性能，在環保領域具有良好的應用前景；且本方法製備工藝簡單，製備成本低，全流程環保無毒害，適於大規模推廣生產。
附圖說明
圖1為本發明中二氧化鈦-氧化鋅納米棒的製備方法流程圖；
圖2為實施例1中二氧化鈦納米顆粒(a)、氧化鋅納米棒(b)、實施例2中二氧化鈦-氧化鋅納米棒(c)、實施例3中二氧化鈦-氧化鋅納米棒(d)、實施例4中二氧化鈦-氧化鋅納米棒的SEM圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明中二氧化鈦-氧化鋅納米棒的製備方法，包括以下步驟：
S101.配製二氧化鈦和水的混合溶液：將二氧化鈦分散於水中，製得二氧化鈦和水的混合溶液；
S102.配製二氧化鈦和鋅離子混合溶液：向二氧化鈦和水的混合溶液中添加鋅離子並攪拌均勻，製得二氧化鈦和鋅離子混合溶液，其中，二氧化鈦和鋅離子的摩爾比為5～20:1；
S103.配製反應混合液：向二氧化鈦和鋅離子混合溶液中逐滴加入鹼溶液並攪拌均勻，獲得反應混合液，氫氧根的物質的量為鋅離子物質的量的2倍以上；
S104.水熱反應：將反應混合液置於含聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，170～190℃下反應22～26h；
S105.離心、清洗後乾燥：反應結束後離心分離，離心分離獲得的固體物質依次用去離子水、無水乙醇進行離心清洗2～3次後，在70～90℃的真空乾燥箱中烘乾，即得所述二氧化鈦-氧化鋅納米棒材料。
進一步的，本發明中，所述步驟S101.配製二氧化鈦和水的混合溶液中，採用磁力攪拌器將二氧化鈦分散於水中。所述二氧化鈦由以下方法製得：將鈦酸四丁酯逐滴加入到聚乙二醇中，攪拌1h後，置於含聚四氟乙烯內襯的不鏽鋼反應釜中，180℃下反應12h，離心、清洗並乾燥後即得。所述二氧化鈦為納米顆粒，平均粒徑為15～25nm。
所述步驟S102.配製二氧化鈦和鋅離子混合溶液中，所述鋅離子由二水乙酸鋅、七水合硫酸鋅、六水合硝酸鋅中任一種或幾種提供。二氧化鈦和鋅離子的摩爾比為9～11:1。
所述步驟S103.配製反應混合液中，所述鹼溶液為氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀中任一種或幾種。
所述步驟S105.離心、清洗後乾燥中，離心分離時轉速為7500～8500rmp。
實施例1
製備二氧化鈦納米顆粒：
在磁力攪拌器的作用下，將3ml鈦酸四丁酯逐滴加入到含有30ml聚乙二醇400的燒杯中，攪拌1h後(溶液變成白色的渾濁液)，將混合液轉移到50ml含聚四氟乙烯內襯的不鏽鋼反應釜中，在180℃環境下反應12h；將反應物在8000rmp下離心分離，用去離子水、無水乙醇對固體物質進行離心清洗3次，並在80℃乾燥箱裡烘乾，最後得到白色粉末即為二氧化鈦納米顆粒。
實施例2
製備二氧化鈦-氧化鋅納米棒：
將0.2g實施例1中獲得的二氧化鈦倒入盛有30ml水的燒杯中，用磁力攪拌器攪拌至完全溶解，製得二氧化鈦和水的混合溶液；稱取4g六水合硝酸鋅倒入燒杯中，繼續攪拌1h至混合均勻，獲得二氧化鈦和鋅離子混合溶液(溶液為乳白色)；向二氧化鈦和鋅離子混合溶液逐滴加入4ml氨水，攪拌1h至混合均勻後，獲得反應混合液；將反應混合液轉移到50ml含聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，在190℃的環境下反應22h；將反應物在8500rmp下離心分離，用去離子水、無水乙醇對固體物質進行離心清洗3次，並在90℃的真空乾燥箱中烘乾，最後得到白色粉末即為二氧化鈦-氧化鋅納米棒材料。
在相同的條件下，將實施例1獲得的二氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米棒以及本實施例製備獲得的二氧化鈦-氧化鋅納米棒分別用於甲基橙溶液的光催化反應，二氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米棒催化的甲基橙溶液降解率在60％以內，而採用二氧化鈦-氧化鋅納米棒的甲基橙溶液降解率達到90％以上。
實施例3
製備二氧化鈦-氧化鋅納米棒：
將0.1g實施例1中獲得的二氧化鈦倒入盛有30ml水的燒杯中，用磁力攪拌器攪拌至完全溶解，製得二氧化鈦和水的混合溶液；稱取1.1g二水乙酸鋅倒入燒杯中，繼續攪拌1h至混合均勻，獲得二氧化鈦和鋅離子混合溶液(溶液為乳白色)；向二氧化鈦和鋅離子混合溶液逐滴加入6ml氫氧化鈉溶液，攪拌1h至混合均勻後，獲得反應混合液；將反應混合液轉移到50ml含聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，在180℃的環境下反應24h；將反應物在8000rmp下離心分離，用去離子水、無水乙醇對固體物質進行離心清洗3次，並在80℃的真空乾燥箱中烘乾，最後得到白色粉末即為二氧化鈦-氧化鋅納米棒材料。
在相同的條件下，將實施例1獲得的二氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米棒以及本實施例製備獲得的二氧化鈦-氧化鋅納米棒分別用於甲基橙溶液的光催化反應，二氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米棒催化的甲基橙溶液降解率在60％以內，而採用二氧化鈦-氧化鋅納米棒的甲基橙溶液降解率達到92％以上。
實施例4
製備二氧化鈦-氧化鋅納米棒：
將0.05g實施例1中獲得的二氧化鈦倒入盛有30ml水的燒杯中，用磁力攪拌器攪拌至完全溶解，製得二氧化鈦和水的混合溶液；稱取3.9g七水合硫酸鋅倒入燒杯中，繼續攪拌1h至混合均勻，獲得二氧化鈦和鋅離子混合溶液(溶液為乳白色)；向二氧化鈦和鋅離子混合溶液逐滴加入3ml氨水，攪拌1h至混合均勻後，獲得反應混合液；將反應混合液轉移到50ml含聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，在170℃的環境下反應26h；將反應物在7500rmp下離心分離，用去離子水、無水乙醇對固體物質進行離心清洗3次，並在70℃的真空乾燥箱中烘乾，最後得到白色粉末即為二氧化鈦-氧化鋅納米棒材料。
在相同的條件下，將實施例1獲得的二氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米棒以及本實施例製備獲得的二氧化鈦-氧化鋅納米棒分別用於甲基橙溶液的光催化反應，二氧化鈦納米顆粒、氧化鋅納米棒催化的甲基橙溶液降解率在60％以內，而採用二氧化鈦-氧化鋅納米棒的甲基橙溶液降解率達到95％以上。
對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。