本發(fā)明屬于納米新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種ZnO-CdS復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

ZnO是具有高激子束縛能的寬帶隙半導(dǎo)體材料，它具有無毒、生物相容性好、電化學(xué)活性高和電子傳輸能力強等優(yōu)點，近年來被廣泛地應(yīng)用到太陽能電池、傳感器、氣體傳感器等領(lǐng)域。但是ZnO的寬帶隙僅允許其吸收紫外光，這限制了一般光源的利用。目前的ZnO材料不能有效提高對光源的利用率以及對化學(xué)物質(zhì)的光降解能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種對污染物具有優(yōu)異的光降解能力的ZnO-CdS復(fù)合材料，本發(fā)明同時提供其制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明所述的ZnO-CdS復(fù)合材料是：CdS納米顆粒沉積在ZnO納米顆粒表面。

其中：

CdS納米顆粒粒徑為18～22nm，優(yōu)選20nm，ZnO納米顆粒為紡錘狀，長度為380～420nm，優(yōu)選400nm。

所述的ZnO-CdS復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將Zn(NO₃)₂·6H₂O的去離子水溶液與NH₄F去離子水溶液混合得到前體溶液，向前體溶液中滴加NaOH水溶液，開始時形成白色沉淀，滴加至溶液半透明，48～52℃攪拌渾濁9.5～10.5小時，離心，獲得白色沉淀，去離子水、乙醇洗滌，最后于55～65℃下干燥，過夜，得到ZnO納米顆粒；

(2)將獲得的ZnO納米顆粒加入到溶解有Cd(NO₃)₂·4H₂O和硫脲的去離子水溶液中形成懸浮液，于85～95℃下，沉積0.4～0.6小時后，離心，獲得ZnO-CdS產(chǎn)物，去離子水洗滌，于75～85℃下干燥。

優(yōu)選如下步驟：

(1)將Zn(NO₃)₂·6H₂O的去離子水溶液與NH₄F去離子水溶液混合得到前體溶液，向前體溶液中滴加NaOH水溶液，開始時形成白色沉淀，滴加至溶液半透明，50℃攪拌渾濁10小時，離心，獲得白色沉淀，去離子水、乙醇洗滌，最后于60℃下干燥，過夜，得到ZnO納米顆粒；

(2)將獲得的ZnO納米顆粒加入到溶解有Cd(NO₃)₂·4H₂O和硫脲的去離子水溶液中形成懸浮液，于90℃下，沉積0.5小時后，離心，獲得ZnO-CdS產(chǎn)物，去離子水洗滌，于80℃下干燥。

Zn(NO₃)₂·6H₂O去離子水溶液的摩爾濃度為0.25mol/L。

NH₄F去離子水溶液的摩爾濃度為2.0mol/L。

NaOH水溶液的摩爾濃度為2.0mol/L。

Zn(NO₃)₂·6H₂O去離子水溶液、NH₄F去離子水溶液、NaOH去離子水溶液中使用的去離子水的體積比為2:1:1。

Cd(NO₃)₂·4H₂O在溶解有Cd(NO₃)₂·4H₂O和硫脲的去離子水溶液中的摩爾濃度為0.01mol/L。

硫脲在溶解有Cd(NO₃)₂·4H₂O和硫脲的去離子水溶液中的摩爾濃度為0.01mol/L。

溶解有Cd(NO₃)₂·4H₂O和硫脲的去離子水溶液中的去離子水與ZnO的體積質(zhì)量比為5:2，去離子水以mL計，ZnO的質(zhì)量以mg計。

所述的ZnO-CdS復(fù)合材料的應(yīng)用是：用于降解羅丹明B和亞甲基藍(lán)。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明在ZnO納米顆粒表面選擇性地沉積CdS納米顆粒，合成一種提升光降解特性的新型復(fù)合材料ZnO-CdS。CdS納米顆粒與污染物之間存在敏化光反應(yīng)，ZnO納米顆粒在光照下空穴發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生羥基游離基，導(dǎo)帶電子與吸附氧發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生強氧化劑，污染物可被氧化或被羥基攻擊。由于ZnO和CdS的能級結(jié)構(gòu)相匹配，該復(fù)合材料能夠增加光吸收范圍，有利于電子-空穴對的分離，進(jìn)而有效提高了對光照的利用率以及對污染物的光降解能力。

附圖說明

圖1為ZnO-CdS復(fù)合材料的光催化機(jī)理圖。

圖2為實施例1制備的ZnO掃描電鏡圖。

圖3為實施例1制備的ZnO-CdS掃描電鏡圖。

圖4為實施例1中的X射線衍射譜圖；

其中：A為ZnO；B為ZnO-CdS。

圖5為實施例1制備的ZnO-CdS用于降解羅丹明B的紫外可見吸收光譜圖。

圖6為實施例1制備的ZnO-CdS用于降解亞甲基藍(lán)的紫外可見吸收光譜圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

實施例1

1.4875g的Zn(NO₃)₂·6H₂O溶解于20mL去離子水，0.7408g NH₄F溶于10mL去離子水，0.8002g NaOH溶于10mL去離子水。通過將Zn(NO₃)₂·6H₂O去離子水溶液與NH₄F去離子水溶液混合得到前體溶液，然后逐滴加入NaOH去離子水溶液。當(dāng)?shù)渭由倭縉aOH去離子水溶液時，立即形成白色沉淀，進(jìn)一步滴加全部剩余的NaOH去離子水溶液后，部分溶解，溶液變得半透明。然后在50℃恒定攪拌下渾濁10小時。通過離心收獲白色沉淀，隨后用去離子水和乙醇洗滌，最后在60℃干燥，過夜，得到ZnO納米顆粒；

將0.2364g Cd(NO₃)₂·4H₂O和0.0761g硫脲溶于100mL去離子水中與40mgZnO納米顆?；旌希孕纬蓱腋∫?。在90℃的油浴中沉積0.5小時后，通過離心收集ZnO-CdS產(chǎn)物，并用去離子水洗滌以除去可溶性離子雜質(zhì)，樣品在烘箱中80℃下干燥。

對比例1

1.4875g的Zn(NO₃)₂·6H₂O溶解于20mL去離子水，0.7408g NH₄F溶于10mL去離子水，0.8002g NaOH溶于10mL去離子水。通過將Zn(NO₃)₂·6H₂O去離子水溶液與NH₄F去離子水溶液混合得到前體溶液，然后逐滴加入NaOH去離子水溶液。當(dāng)?shù)渭由倭縉aOH去離子水溶液時，立即形成白色沉淀，進(jìn)一步滴加全部剩余的NaOH去離子水溶液后，部分溶解，溶液變得半透明。然后在50℃恒定攪拌下渾濁10小時。通過離心收獲白色沉淀，隨后用去離子水和乙醇洗滌，最后在60℃干燥，過夜，得到ZnO納米顆粒；

將0.2364g Cd(NO₃)₂·4H₂O和0.0761g硫脲溶于100mL去離子水中與20mgZnO納米顆?；旌?，以形成懸浮液。在90℃的油浴中沉積0.5小時后，通過離心收集ZnO-CdS產(chǎn)物，并用去離子水洗滌以除去可溶性離子雜質(zhì)，樣品在烘箱中80℃下干燥。

對比例2

1.4875g的Zn(NO₃)₂·6H₂O溶解于20mL去離子水，0.7408g NH₄F溶于10mL去離子水，0.8002g NaOH溶于10mL去離子水。通過將Zn(NO₃)₂·6H₂O去離子水溶液與NH₄F去離子水溶液混合得到前體溶液，然后逐滴加入NaOH去離子水溶液。當(dāng)?shù)渭由倭縉aOH去離子水溶液時，立即形成白色沉淀，進(jìn)一步滴加全部剩余的NaOH去離子水溶液后，部分溶解，溶液變得半透明。然后在50℃恒定攪拌下渾濁10小時。通過離心收獲白色沉淀，隨后用去離子水和乙醇洗滌，最后在60℃干燥，過夜，得到ZnO納米顆粒；

將0.2364g Cd(NO₃)₂·4H₂O和0.0761g硫脲溶于100mL去離子水中與60mgZnO納米顆?；旌希孕纬蓱腋∫?。在90℃的油浴中沉積0.5小時后，通過離心收集ZnO-CdS產(chǎn)物，并用去離子水洗滌以除去可溶性離子雜質(zhì)，樣品在烘箱中80℃下干燥。

對比例3

1.4875g的Zn(NO₃)₂·6H₂O溶解于20mL去離子水，0.7408g NH₄F溶于10mL去離子水，0.8002g NaOH溶于10mL去離子水。通過將Zn(NO₃)₂·6H₂O去離子水溶液與NH₄F去離子水溶液混合得到前體溶液，然后逐滴加入NaOH去離子水溶液。當(dāng)?shù)渭由倭縉aOH去離子水溶液時，立即形成白色沉淀，進(jìn)一步滴加全部剩余的NaOH去離子水溶液后，部分溶解，溶液變得半透明。然后在100℃恒定攪拌下渾濁10小時。通過離心收獲白色沉淀，隨后用去離子水和乙醇洗滌，最后在60℃干燥，過夜，得到ZnO納米顆粒；

將0.2364g Cd(NO₃)₂·4H₂O和0.0761g硫脲溶于100mL去離子水中與40mgZnO納米顆?；旌?，以形成懸浮液。在90℃的油浴中沉積0.5小時后，通過離心收集ZnO-CdS產(chǎn)物，并用去離子水洗滌以除去可溶性離子雜質(zhì)，樣品在烘箱中80℃下干燥。

通過CdS納米顆粒選擇性的沉積到ZnO納米顆粒表面上，設(shè)計合成了具有光催化性能的紡錘狀ZnO-CdS復(fù)合材料用以對污染物的降解。復(fù)合材料的光催化機(jī)理如圖1所示，CdS納米顆粒通過吸附沉積到ZnO表面，ZnO-CdS復(fù)合材料能顯著提升光的使用效率，CdS和ZnO之間的位置有一個II型結(jié)構(gòu)，ZnO的導(dǎo)帶邊緣位于CdS的導(dǎo)帶和價帶之間，當(dāng)CdS納米顆粒受可見光激發(fā)時，光電子會轉(zhuǎn)移到ZnO的導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子-空穴對，這樣的一個II型結(jié)構(gòu)促進(jìn)了光電載流子的分離。

圖2、圖3分別是ZnO，ZnO-CdS電鏡圖。圖2中，ZnO是具有很大比表面積的紡錘狀納米顆粒，顆粒長度在400nm左右。圖3中，ZnO較為平坦的表面結(jié)構(gòu)被模糊化，粒徑保持不變，可以清楚地觀察到粒徑在20nm左右的CdS納米顆粒沉積在ZnO表面。

圖4A是紡錘狀ZnO納米顆粒的XRD測試結(jié)果，對比圖中的峰，與ZnO(JCPDS 36-1451)的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相匹配，并且沒有檢測到額外的峰，這表明合成的ZnO產(chǎn)物具有極好的純度。通過對比圖4B ZnO-CdS納米顆粒的XRD圖，可以明顯地看出，除了ZnO的衍射峰外，衍射角2θ＝26.79°，44.08°和51.75°分別對應(yīng)于立方晶型CdS(JCPDS 65-3414)，表明樣品由ZnO，CdS兩部分組成。

實施例2

制備的ZnO-CdS用于降解羅丹明B

在容器中取100ml濃度為8μg/ml的羅丹明B溶液，加入10mg的ZnO-CdS避光攪拌1小時。然后在300W氙燈下照射，從0分鐘開始取樣，每隔5分鐘取樣，取8個，再每隔10分鐘取樣，取兩個，最后每隔20分鐘取樣，取3個。

將所取樣品依次進(jìn)行紫外檢測，結(jié)果如圖5所示。

實施例3

制備的ZnO-CdS用于降解亞甲基藍(lán)

在容器中取100ml濃度為8μg/ml的亞甲基藍(lán)溶液，加入10mg的ZnO-CdS避光攪拌1小時。然后在300W氙燈下照射，從0分鐘開始取樣，每隔5分鐘取樣，取8個，再每隔10分鐘取樣，取兩個，最后每隔20分鐘取樣，取3個。

將所取樣品依次進(jìn)行紫外檢測，結(jié)果如圖6所示。

通過圖5和圖6可以觀察到，羅丹明B和亞甲基藍(lán)的特征峰均出現(xiàn)了明顯的下降，這證明在光照條件下，ZnO-CdS納米材料對于羅丹明B和亞甲基藍(lán)有明顯的降解作用，因此該材料具有提升的光降解能力。