[發明專利]非貴金屬MoS2修飾的CdS納米棒光催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610285209.6
• 申請日: 2016-04-27
• 公開（公告）號: CN105833885B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 付先亮;張莉;劉理華;陳士夫
• 申請（專利權）人: 淮北師范大學
• 主分類號: B01J27/051
• 分類號: B01J27/051;C01B3/04
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 何梅生,盧敏

技術領域

本發明涉及一種非貴金屬修飾納米棒狀CdS光催化劑的制備及其在可見光下光催化分解水生產氫氣的研究，屬于材料制備領域，

背景技術

化石能源枯竭所導致的能源危機以及大規模使用化石能源所引起的環境污染是當今世界可持續發展所面臨的兩大問題。氫能以其清潔、來源廣、燃燒熱值高等優點被認為是解決這兩大問題的理想方案。開發以氫能為代表的清潔、高效、可持續的新能源，無論對中國、還是對世界的可持續發展都極具意義。

作為典型的二次能源，自然界中單質態的氫極少存在，因此必須將含氫物質轉化后方能得到氫氣。目前的制氫原料主要基于各種化石燃料、水、生物質等。按底物能否再生分為不可再生制氫和可再生制氫兩種途徑。大概95％的氫是通過重整煤、天然氣、石油等化石燃料來獲得。基于化石能源的枯竭及環境問題，由化石資源獲取氫能并不是長久之計。電解水制氫是目前僅次于天然氣重整制氫的第二大制氫方法，占現有制氫總量的4％左右。電解水制氫存在的最大問題是槽電壓過高，導致能耗大、制氫成本高。另一方面，對水源的純度要求高，使用有雜質的水會顯著降低電解池使用壽命。太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應產生的能量，每年輻射到地面的太陽能高達173,000TW，而全人類每年消耗的能源總量卻不及這個數值的百分之一。如果能利用太陽能來制氫，那就等于把無窮無盡的、分散的太陽能轉變成了高度集中的干凈能源，其意義十分重大。1972年Honda和Fujishima應用n-TiO₂電極首次實現了光電催化分解水制氫[Nature 1972,238(5358),37-38]，正式拉開了光催化分解水產氫的研究序幕。

光解水產氫的基本原理是建立在半導體能帶理論基礎上，其整個過程可分為三個部分： (1)載流子的產生。當入射光光子能量大于半導體的帶隙時，電子就會被激發，從價帶躍遷到導帶，同時在價帶上留下一個帶正電荷的空穴；(2)載流子的分離和遷移。上述光生電子和空穴從體相遷移至催化劑表面；(3)表面載流子同水的反應。當半導體的價帶電勢高于 V_O2/H2O＝1.23V(vs.NHE,pH＝7)時水就會被空穴氧化，生成氧氣。當導帶的電勢低于V_H+/H2＝0V(vs.NHE,pH＝7)時，水就會被光生電子還原為氫氣。光解水的量子效率主要制約于光催化劑的光吸收范圍、載流子的有效分離和表面水的氧化還原反應等三個過程。

CdS是最為典型的可見光光解水催化劑，其帶隙為2.4eV，可有效利用太陽光譜中占主要部分的可見光。制備特定形貌如具有量子限域效應的一維納米棒狀的CdS或對其進行貴金屬修飾(如能形成肖特基勢壘的Pt、Pd或Ru等)，能顯著提高光生載流子的遷移和分離效率，進而提高產氫量子效率和抑制CdS的光腐蝕現象發生。目前，絕大多數光解水催化劑都需要負載一定量的貴金屬才能顯現出顯著的分解水產氫活性。然而，鉑族金屬作為貴金屬，不但價格昂貴且自然界中儲量稀少，大大阻礙了其大規模商業化應用。此外，所修飾負載上的貴金屬團聚嚴重，不能有效利用，貴金屬含量至少要求在0.5wt.％[J.Phys.Chem.C 2013,117, 783-790；Journal of Materials Chemistry A 2014,2,3407-3416]以上方可顯著提高產氫效率。因此，開發出價格低廉且具較高活性與穩定性的非鉑催化劑來替代貴金屬助催化劑，被認為是降低催化劑成本，進而實現光解水制氫的商業化應用的重要一環。

發明內容

本發明旨在提供一種新型的非貴金屬MoS₂修飾的CdS納米棒光催化劑及其制備方法和在可見光分解水產氫中的應用，所要解決的技術問題是現有光解水催化劑制備工藝的復雜和新型非貴金屬助催化劑的開發利用。

本發明解決技術問題，采用如下技術方案：

本發明的非貴金屬MoS₂修飾的CdS納米棒光催化劑，是在CdS納米棒的表面修飾有非貴金屬MoS₂顆粒。其中所述非貴金屬MoS₂的修飾量為0.1～1.0wt.％(修飾量是指非貴金屬 MoS₂占催化劑中CdS納米棒質量的比例)。

本發明非貴金屬MoS₂修飾的CdS納米棒光催化劑的制備方法，是按如下步驟進行：

(1)將非貴金屬MoS₂前驅物溶于乙二胺中，獲得MoS₂前驅物溶液；