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CN106902844A - 氧化锌‑硫化锌异质结纳米线阵列及其制备方法和应用 - Google Patents

氧化锌‑硫化锌异质结纳米线阵列及其制备方法和应用 Download PDF

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CN106902844A CN201710079935.7A CN201710079935A CN106902844A CN 106902844 A CN106902844 A CN 106902844A CN 201710079935 A CN201710079935 A CN 201710079935A CN 106902844 A CN106902844 A CN 106902844A
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李洋
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Abstract

本发明涉及氧化锌‑硫化锌异质结纳米线阵列及其制备方法和应用，包括硫化锌纳米球和氧化锌纳米线，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端形成异质结；氧化锌‑硫化锌异质结纳米线阵列基底为锌片，氧化锌纳米线垂直生长于基底锌片上，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端。优点是：制备过程简单，稳定性高，在光催化纳米材料等领域具有潜在的应用前景。通过简单的一步水热法并且不添加任何催化剂合成。

Description

氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，尤其涉及一种氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列及其制备方法和应用。
背景技术
半导体光催化技术具有简单、高效、节能、安全等优点，已经成为解决能源问题与环境问题的一项技术。氧化锌-硫化锌纳米异质结构因其优异的光学性质和电化学性质，被认为是众多半导体纳米异质结构中最具应用潜力的材料。氧化锌作为一种宽禁带(3.37eV)半导体，激子束缚能约为60meV，在室温下就能实现激子复合发光。在光催化材料、光伏电池器件、紫外发光二级管等领域，氧化锌因其良好的光电学性质而得到广泛应用。硫化锌也是宽带隙(3.66eV)半导体材料，是很好的发光材料，也被用作光催化材料。半导体光催化本质是依靠光生电子和空穴的氧化还原作用实现对污染物的降解，因此为获得高的量子效率，必须抑制电子空穴的重组。为了拓宽氧化锌的光激发能量响应范围，提高氧化锌的光催化活性，将氧化锌与硫化锌耦合，有利于阻止光生电子和空穴快速复合。
目前，在半导体光催化纳米材料的领域，人们做了一些尝试和研究。例如，专利申请号：CN104841457A公开了一种硫化锌—氧化锌异质结纳米材料及其固相制备方法，将醋酸锌、硫代乙酰胺和氢氧化钠一起研磨发生反应而得到硫化锌—氧化锌异质结纳米材料。中国专利申请号：CN101607689A公开了一种氧化锌和硫化锌纳米带复合异质结及其制备方法，采用热蒸发硫化锌和石墨混合粉末的制备方法。然而，由于合成氧化锌-硫化锌异质结纳米材料对反应条件很敏感，比如硫化锌表面容易被氧化以及不同组分颗粒有不同的溶解度，所以到目前为止用简单方便的方法合成氧化锌-硫化锌异质的阵列仍是一个挑战。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列及其制备方法和应用，通过一步简单的水热法合成氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列，无需添加任何催化剂，是一种简单有效的合成方法，制得的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列是硫化锌纳米球生长在氧化锌纳米线顶端的异质结构。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列，包括硫化锌纳米球和氧化锌纳米线，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端形成异质结。
氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列基底为锌片，氧化锌纳米线垂直生长于基底锌片上，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端。
氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将锌片进行预处理，取纯度为99.99％，厚度为0.8mm的锌片，将锌片裁剪成2×2cm的正方块，把裁剪好的锌片依次用分析纯的丙酮、去离子水、乙醇超声清洗10min，去除其表面的污染物，吹干后放入体积比为5％的稀盐酸溶液浸泡5min，去除表面氧化物，再用去离子水反复冲洗几次，吹干后，将其放入聚四氟乙烯内衬；
2)称取KOH的质量为2.6933～2.6954g，将其溶解于15mL去离子水中；
3)称量过硫酸铵的质量为0.8215～0.8236g，将其溶解于15mL去离子水中；
4)将步骤2)与步骤3)两种溶液混合，不断搅拌，将0.2～0.4g的KSCN加入到不断搅拌的上述溶液；待溶液搅拌均匀后，倒入盛有锌板的体积为50mL聚四氟乙烯内衬；装到反应釜，反应结束后，待溶液冷却到室温，将锌片取出，用乙醇清洗3次，再用去离子水清洗3次，用鼓风式烘干机在35℃的温度下烘干，即可得到氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列。
步骤4)得到的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的纳米线平均直径为100nm，每簇纳米线顶端都长着一个硫化锌纳米球，硫化锌纳米球平均直径为300nm。
步骤4)中反应釜在120℃的温度下反应12h，然后进一步加热到220～240℃，继续反应12h。
氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的应用，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列作为紫外处理污染物降解催化剂。
所述的紫外处理污染物为甲基橙，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列对甲基橙的降解率为99.5％。
氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列作为制备能源的催化剂。
所述制备能源为氢气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明制备的氧化锌-硫化锌纳米线异质结阵列催化剂制备过程简单，稳定性高，在光催化纳米材料等领域具有潜在的应用前景。通过简单的一步水热法并且不添加任何催化剂合成了硫化锌纳米球负载在垂直生长的氧化锌纳米线阵列上的氧化锌-硫化锌异质结构，顶端的纳米颗粒为面心立方结构硫化锌多晶结构，纳米线为结晶完好的氧化锌单晶六方相结构。并对成品进行了光催化分解水和光催化降解有机染料的测试，用以考察氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的光催化活性。
附图说明
图1是以锌片为生长基底的氧化锌-硫化锌异质结构纳米线阵列的低倍放大SEM图一。
图2是以锌片为生长基底的氧化锌-硫化锌异质结构纳米线阵列的低倍放大SEM图二。
图3是以锌片为生长基底的氧化锌-硫化锌异质结构纳米线阵列的高倍放大SEM图一。
图4是以锌片为生长基底的氧化锌-硫化锌异质结构纳米线阵列的高倍放大SEM图二。
图5是单根氧化锌纳米线上覆盖团聚的硫化锌纳米球的TEM图。
图6是氧化锌纳米线的SAED图。
图7是氧化锌纳米线的EDS图。
图8是硫化锌纳米球的SAED图。
图9是硫化锌纳米球的EDS图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
见图1，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列，包括硫化锌纳米球和氧化锌纳米线，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端形成异质结。
氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列基底为锌片，氧化锌纳米线垂直生长于基底锌片上，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端。图1中，(a)、(b)为低倍放大的SEM图；(c)、(d)是高倍放大的SEM图。硫化锌纳米球由非常小的纳米颗粒组成，平均大小约为25nm，自组装为大小接近300nm表面粗糙的球形结构，见图2。
见图3，EDS图显示了氧化锌纳米线的元素只有Zn和O，生长的纳米线为氧化锌；SAED图显示了纳米线为结晶完好的氧化锌单晶六方相结构。
见图4，EDS图显示了硫化锌纳米球的元素只有Zn和S，生长的纳米球为硫化锌；SAED图显示了纳米球为面心立方结构硫化锌多晶结构。
实施例1
一种氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的制备方法，具体操作步骤如下：
1)先将锌片进行预处理，将锌片(纯度99.99％，厚度为0.8mm)裁剪成2×2cm的正方块，把裁剪好的锌片分别用分析纯的丙酮、去离子水、乙醇超声清洗10min，目的是去除其表面的污染物，吹干后放入5％(V/V)的稀盐酸溶液浸泡5min，去除表面氧化物，再用去离子水反复冲洗几次，吹干后，将其放入聚四氟乙烯内衬；
2)称量KOH质量为2.6933g，将其溶解于15mL去离子水中；
3)称量过硫酸铵的质量为0.8215g，溶解于15mL去离子水中；
4)将步骤2)与步骤3)两种溶液混合，不断搅拌。将0.2g的KSCN加入到不断搅拌的上述溶液。待溶液搅拌均匀后，倒入盛有锌板的体积为50mL的聚四氟乙烯内衬。装到反应釜，在120℃的温度下反应12h，然后进一步加热到220℃，继续反应12h。反应结束后，让溶液冷却到室温，将锌片取出，将锌片取出，用乙醇清洗3次，再用去离子水清洗3次，用鼓风式烘干机在35℃的温度下烘干，即可得到氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列。
实施例2
一种氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的制备方法，具体操作步骤如下：
1)先将锌片进行预处理，将锌片(纯度99.99％，厚度为0.8mm)裁剪成2×2cm的正方块，把裁剪好的锌片分别用分析纯的丙酮、去离子水、乙醇超声清洗10min，目的是去除其表面的污染物，吹干后放入5％(V/V)的稀盐酸溶液浸泡5min，去除表面氧化物，再用去离子水反复冲洗几次，吹干后，将其放入聚四氟乙烯内衬；
2)称量KOH质量为2.6941g，将其溶解于15mL去离子水中；
3)称量过硫酸铵的质量为0.8223g，溶解于15mL去离子水中；
4)将步骤2)与步骤3)两种溶液混合，不断搅拌。将0.3g的KSCN加入到不断搅拌的上述溶液。待溶液搅拌均匀后，倒入盛有锌板的体积为50mL聚四氟乙烯内衬。装好反应釜，在120℃的温度下反应12h，然后进一步加热到230℃，继续反应12h。反应结束后，让溶液冷却到室温，将锌片取出，用乙醇清洗3次，再用去离子水清洗3次，用鼓风式烘干机在35℃的温度下烘干，即可得到氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列。
实施例3
一种氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的制备方法，具体操作步骤如下：
1)先将锌片进行预处理，将锌片(纯度99.99％，厚度为0.8mm)裁剪成2×2cm的正方块，把裁剪好的锌片分别用分析纯的丙酮、去离子水、乙醇超声清洗10min，目的是去除其表面的污染物，吹干后放入5％(V/V)的稀盐酸溶液浸泡5min，去除表面氧化物，再用去离子水反复冲洗几次，吹干后，将其放入聚四氟乙烯内衬；
2)称量KOH质量为2.6954g，将其溶解于15mL去离子水中；
3)称量过硫酸铵的质量为0.8236g，溶解于15mL去离子水中；
4)将步骤2)与步骤3)两种溶液混合，不断搅拌。将0.4g的KSCN加入到不断搅拌的上述溶液。待溶液搅拌均匀后，倒入盛有锌板的体积为50mL聚四氟乙烯内衬。装好反应釜，在120℃的温度下反应12h，然后进一步加热到240℃，继续反应12h。反应结束后，让溶液冷却到室温，将锌片取出，用乙醇清洗3次，再用去离子水清洗3次，用鼓风式烘干机在35℃的温度下烘干，即可得到氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列。
实施例4
任选实施例1～3中之一获得的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列，作为降解有机污染物催化剂，分别通过紫外光照射(λ>324nm)氧化锌纳米线阵列及氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列对甲基橙(MO)的降解效果，来评价氧化锌纳米线阵列及氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的光催化性质。具体操步骤如下：
把锌片均匀的剪成10小块，取裁剪后的5块大小为(2×0.2×0.08cm)大小的上面长有氧化锌-硫化锌异质结构纳米线阵列的锌片，将其放入15mL浓度为10ppm的甲基橙(MO)溶液。在阴暗处搅拌1h达到吸附平衡，然后将其放在紫外灯下照射。
经过相同的降解时间，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的降解率明显高于氧化锌纳米线阵列的降解率。在紫外光照射40min后，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列光催化材料，几乎将MO完全降解，降解率达到了99.5％。然而，氧化锌纳米线阵列对MO的降解率仅为38％。
为了评价氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的稳定性，在紫外光的照射下进行了降解MO的循环实验。每次反应持续时间为40min，进行了5次实验，光催化降解率并没有明显变化，说明催化剂具有高的稳定性，在光催化氧化目标有机污染物的过程中没有发生光腐蚀。
实施例5
任选实施例1～3中之一获得的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列作为光解水制氢催化剂的应用，考察氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列在可见光(λ>420nm)的激发下光催化分解水产氢的能力。具体操作步骤如下：
以Na2S和Na2SO3水溶液为电子牺牲剂。把锌片均匀的剪成10小块，取裁剪后的5小块(2×0.2×0.08cm)氧化锌-硫化锌异质结锌片加入反应器中，然后将反应器和系统连接起来。反应前先将系统抽成真空，并保持其真空度维持在-0.1MPa以上大约30分钟左右，以保证气密性良好。
在25℃的温度条件下，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列在可见光(λ>420nm)的激发下光催化分解水产氢的速率是23.4μmol h-1g-1。与之相比，商业氧化锌、硫化锌及所制备的氧化锌纳米线阵列由于宽的带隙，没有H2生成。
在所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列中，硫化锌纳米球覆盖在氧化锌纳米线阵列的顶端，这就创造了非常多的氧化锌-硫化锌界面。这样在氧化锌-硫化锌表面的电子从硫化锌的价带激发到氧化锌的导带，将水还原。形成这种异质结构将表面有效的带隙变窄，因此可见光照射的能量就能将光催化材料激发。光生空穴被硫化锌表面捕获接着被等离子氧化还原电对(S2-/SO3 2-)消耗，这样有利于电子和空穴的有效分离。以上分析结果表明，氧化锌-硫化锌异质纳米线阵列能够快速的将电荷有效分离，降低表面的能量势垒。因此，氧化锌-硫化锌能够显著改善光催化活性。

Claims (9)

1.氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列，其特征在于，包括硫化锌纳米球和氧化锌纳米线，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端形成异质结。
2.根据权利要求1所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列，其特征在于，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列基底为锌片，氧化锌纳米线垂直生长于基底锌片上，硫化锌纳米球生成于氧化锌纳米线的顶端。
3.根据权利要求1或2所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将锌片进行预处理，取纯度为99.99％，厚度为0.8mm的锌片，将锌片裁剪成2×2cm的正方块，把裁剪好的锌片依次用分析纯的丙酮、去离子水、乙醇超声清洗10min，去除其表面的污染物，吹干后放入体积比为5％的稀盐酸溶液浸泡5min，去除表面氧化物，再用去离子水反复冲洗几次，吹干后，将其放入聚四氟乙烯内衬；
2)称取KOH的质量为2.6933～2.6954g，将其溶解于15mL去离子水中；
3)称量过硫酸铵的质量为0.8215～0.8236g，将其溶解于15mL去离子水中；
4)将步骤2)与步骤3)两种溶液混合，不断搅拌，将0.2～0.4g的KSCN加入到不断搅拌的上述溶液；待溶液搅拌均匀后，倒入盛有锌板的体积为50mL聚四氟乙烯内衬；装到反应釜，反应结束后，待溶液冷却到室温，将锌片取出，用乙醇清洗3次，再用去离子水清洗3次，用鼓风式烘干机在35℃的温度下烘干，即可得到氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列。
4.根据权利要求3所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤4)得到的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的纳米线平均直径为100nm，每簇纳米线顶端都长着一个硫化锌纳米球，硫化锌纳米球平均直径为300nm。
5.根据权利要求3所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤4)中反应釜在120℃的温度下反应12h，然后进一步加热到220～240℃，继续反应12h。
6.根据权利要求1或2所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的应用，其特征在于，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列作为紫外处理污染物降解催化剂。
7.根据权利要求6所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的应用，其特征在于，所述的紫外处理污染物为甲基橙，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列对甲基橙的降解率为95.5％-99.5％。
8.根据权利要求1或2所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的应用，其特征在于，氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列作为制备能源的催化剂。
9.根据权利要求8所述的氧化锌-硫化锌异质结纳米线阵列的应用，其特征在于，所述制备能源为氢气。
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