宽光谱响应的C掺杂ZnO纳米片及其制备方法和应用

宽光谱响应的c掺杂zno纳米片及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及纳米光电功能材料技术领域，更具体的涉及宽光谱响应的c掺杂zno纳米片及其制备方法和应用。


背景技术：

2.光电传感检测技术是当下发展迅速的一种基于检测信号(光)与激发信号(电)分离的有效检测手段。因此研究者致力于开发具有高效光电转换效率的光电材料，其中通过物理、化学法对经典半导体材料进行改性是很重要的研究方向。zno因具有高的载流子迁移率、良好生物相容性、优异的光吸收性能在光电传感领域受到广泛关注。然而它的禁带宽度(～3.21ev)较宽，仅对紫外光具有良好的吸收，不能有效利用太阳能，进而限制其在光电传感领域的应用。


技术实现要素：

3.为了解决纯zno光吸收范围窄、太阳光利用率低的问题，本发明提供了一种宽光谱响应的c掺杂zno纳米片及其制备方法和应用，通过c元素的掺杂，拓宽了zno的光谱吸收范围，显著提高光电传感检测的灵敏度。
4.本发明的第一个目的是提供一种宽光谱响应的c掺杂zno纳米片的制备方法，包括以下步骤：
5.s1、以乙二醇和n,n-二甲基甲酰胺为混合溶剂，以六水合硝酸锌、对苯二甲酸为前驱体，通过水热反应制备得到zn-mof；
6.s2、将s1中的zn-mof进行高温热解，得到c掺杂zno纳米片。
7.优选的，s1中，六水合硝酸锌、对苯二甲酸以及混合溶剂的比值为0.2-0.8g：0.1-0.4g：36-74ml。
8.优选的，混合溶剂中，乙二醇和n,n-二甲基甲酰胺的比值为10-20ml：16-64ml。
9.优选的，s1中，水热反应的反应温度为140-190℃，反应时间为4-10h。
10.优选的，s2中，高温热解的反应温度为400-550℃，反应时间为1-4h，升温速率为2-10℃/min。
11.本发明的第二个目的是提供一种根据上述方法制备的c掺杂zno纳米片。
12.本发明的第三个目的是提供上述c掺杂zno纳米片在传感检测中的应用。
13.优选的，所述c掺杂zno纳米片在传感检测中的应用按照以下步骤进行：以c掺杂zno纳米片为工作电极，以pt丝、氯化银电极分别为对电极与参比电极，完成液体环境下的光电传感检测。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
15.本发明制备c掺杂zno纳米片时，以zn-mof为模板，得到c掺杂zno纳米片，不仅实现了带隙的调控，同时提升了材料的比表面积，进一步增强了材料的光吸收性能，从而实现高效光电传感检测。
附图说明
16.图1为本发明实施例3和对比例1制备的材料的x射线衍射图；
17.图2为本发明实施例3的扫描电镜图；
18.图3为本发明实施例3和对比例1的紫外-可见光漫反射光谱图和带隙图，其中，图3a为实施例3和对比例1的紫外-可见光漫反射光谱图，图3b为实施例3和对比例1的带隙图；
19.图4为本发明实施例3所得材料修饰电极在液体环境下的光电流结果图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例1
22.s1、将0.2g六水合硝酸锌、0.4g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和32mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
23.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应6h得到产物，所获得的产物依次用n,n二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
24.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在400℃下反应1h，升温速率为5℃/min，得到c掺杂zno。
25.实施例2
26.s1、将0.2g六水合硝酸锌、0.2g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和32mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
27.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应6h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
28.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在400℃下反应2h，升温速率为5℃/min，得到c掺杂zno。
29.实施例3
30.s1、将0.4g六水合硝酸锌、0.2g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和32mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
31.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应6h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
32.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在450℃下反应2h，升温速率为5℃/min，得到c掺杂zno。
33.实施例4
34.s1、将0.4g六水合硝酸锌、0.2g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和32mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
35.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应6h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇的混合溶剂进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
36.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在450℃下反应3h，升温速率为5℃/min，得到c掺杂zno。
37.实施例5
38.s1、将0.4g六水合硝酸锌、0.2g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和32mln，n,n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
39.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应6h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
40.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在500℃下反应1h，升温速率为5℃/min，得到c掺杂zno。
41.实施例6
42.s1、将0.4g六水合硝酸锌、0.2g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和32mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
43.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应6h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
44.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在500℃下反应2h，升温速率为5℃/min，得到c掺杂zno。
45.实施例7
46.s1、将0.8g六水合硝酸锌、0.4g对苯二甲酸溶解在含10ml乙二醇和64mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
47.将混合溶液转移至水热反应釜中，在140℃下反应10h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
48.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在550℃下反应3h，升温速率为2℃/min，得到c掺杂zno。
49.实施例8
50.s1、将0.2g六水合硝酸锌、0.1g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和16mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
51.将混合溶液转移至水热反应釜中，在190℃下反应4h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
52.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在400℃下反应4h，升温速率为10℃/min，得到c掺杂zno。
53.实施例9
54.s1、将0.5g六水合硝酸锌、0.3g对苯二甲酸溶解在含15ml乙二醇和40mln，n-二甲基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
55.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应16h得到产物，所获得的产物依次用n,n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
56.s2、将s1得到的zn-mof置于高温管式炉中，在400℃下反应2h，升温速率为2℃/min，得到c掺杂zno。
57.对比例1
58.s1、将0.4g六水合硝酸锌、0.2g对苯二甲酸溶解在含20ml乙二醇和32mln，n-二甲
基甲酰胺的混合溶剂中搅拌1h，使其充分溶解，得到混合溶液。
59.将混合溶液转移至水热反应釜中，在150℃下反应6h。所获得的产物依次用n-二甲基甲酰胺、甲醇进行离心清洗，而后置于80℃烘箱中烘干，得到zn-mof。
60.图1为实施例3和对比例1所得的x射线衍射图，从图1可以看出，c掺杂zno的的衍射峰与标准卡片(zno：36-1451)相吻合，完成了从zn-mof的转换。由图2扫描电子显微镜图得出，c掺zno材料呈纳米片状。
61.图3为实施例3和对比例1的紫外-可见光漫反射光谱图和带隙图，其中，图3a为实施例3和对比例1的紫外-可见光漫反射光谱图，从图3a中可以看到，c掺zno的光吸收范围和吸收强度明显优于zn-mof。图3b为实施例3和对比例1的带隙图，如图3b所示，c掺zno的带隙宽度低于zn-mof。
62.本发明所得光电复合材料应用于液体环境中，展现出优异得光电传感性能：
63.将实施例3中c掺zno修饰导电基底置于浓度为0.01mol/l磷酸盐缓冲液(pbs，ph＝7.0)的电解液中，本发明所用的c掺zno修饰导电基底fto，铂网用作对电极、氯化银电极用作参比电极，氯化银电极置于饱和kcl溶液中保存。在模拟太阳光下，20s光照，20s黑暗，测得复合材料的光电流。由图4可以看出，c掺杂zno纳米片修饰电极后，光电流响应明显增强，这与该材料的吸收光谱保持一致。
64.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
65.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。