专利简介
专利名称： 石墨烯/ZnFe₂O₄复合可见光催化剂及其制备方法
专利号： ZL201910301328.X
专利权人： 悦居帮手科技（四川）有限公司
发明人： 艾建平、廖伟秀、胡丽玲、李文魁、张琳英、罗珊珊、程丽红、陈岩、周泽华、张锐博
授权公告号： CN109876784B
授权日期： 2022年04月22日
一、技术背景
随着工业化进程加快，水体有机污染物（如染料、抗生素、农药残留等）对生态环境和人类健康构成严重威胁。光催化技术因其反应条件温和、能耗低、可矿化有机污染物等优势，被认为是最具前景的环境治理技术之一。
传统光催化剂TiO₂虽化学稳定性好，但其禁带宽度较大（约3.2 eV），仅能被紫外光（占太阳光谱约5%）激发，对太阳光中占比约45%的可见光利用效率极低。ZnFe₂O₄是一种尖晶石型铁氧体材料，禁带宽度适中（约1.9～2.0 eV），具有良好的可见光响应，但其光生载流子复合率较高、比表面积有限，单独使用时催化效率不理想。如何通过复合改性提升ZnFe₂O₄的可见光催化活性，成为领域内的研究热点。
石墨烯作为一种二维碳纳米材料，具有优异的导电性、超高的比表面积和良好的化学稳定性，是构建高效复合光催化剂的理想载体。
二、技术方案
本发明属于光催化材料技术领域，提供了一种石墨烯/ZnFe₂O₄复合可见光催化剂及其制备方法。其核心方案如下：
（一）催化剂组成
该复合光催化剂以石墨烯（Graphene） 为载体，ZnFe₂O₄纳米颗粒均匀负载于石墨烯片层表面，形成紧密的界面接触结构。其中，ZnFe₂O₄作为可见光响应组分，石墨烯作为电子传输介质和结构支撑骨架。
（二）制备方法
该催化剂的制备方法包括以下关键步骤：
氧化石墨烯的制备：采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO），将其超声分散于去离子水中，得到均匀的GO分散液。
前驱体配制：按化学计量比称取锌盐（如Zn(NO₃)₂·6H₂O）和铁盐（如Fe(NO₃)₃·9H₂O），溶解于去离子水中，搅拌至完全溶解。
复合与沉淀：将上述盐溶液缓慢滴加至GO分散液中，加入适量络合剂（如柠檬酸或乙二醇），调节pH值，经充分搅拌后进行水热处理或共沉淀反应，使Zn²⁺和Fe³⁺均匀锚定于GO表面。
煅烧晶化：将所得前驱体干燥后，在保护气氛（如N₂或Ar）中进行高温煅烧，使GO部分还原为石墨烯，同时ZnFe₂O₄原位结晶生长于石墨烯片层上，最终获得石墨烯/ZnFe₂O₄复合可见光催化剂。
通过调控GO添加量、煅烧温度和保温时间等参数，可优化ZnFe₂O₄的晶粒尺寸和负载形貌，实现复合材料的光催化活性调控。
三、技术优势
拓宽光响应范围：ZnFe₂O₄的窄带隙使其对可见光具有良好响应，有效弥补了TiO₂等传统催化剂对太阳光利用不足的缺陷；
高效电荷分离：石墨烯优异的导电性可作为电子受体和传输通道，快速将ZnFe₂O₄光生电子导出，显著抑制光生电子–空穴对的复合，提高量子效率；
高比表面积与丰富活性位点：石墨烯的二维片层结构为ZnFe₂O₄纳米颗粒提供大量负载位点，同时增强了对有机污染物的吸附能力；
稳定性与可回收性：复合材料具有良好的结构稳定性，经过多次循环使用后仍保持较高的催化活性；
制备工艺简便：采用湿化学法与热处理相结合的路线，工艺条件温和、成本可控，适宜规模化生产。
四、应用前景
该专利技术可广泛应用于有机废水处理、印染废水脱色、抗生素降解、光催化还原Cr(Ⅵ)、光催化产氢等环境保护与能源转化领域。随着环保标准的日益严格和绿色技术的发展，可见光响应型光催化剂在低能耗、高效率的水处理技术中将发挥日益重要的作用，具有良好的社会效益和经济效益。