[發(fā)明專利]一種富含硫空位的Cd/CdS異質(zhì)結(jié)可見光催化劑的制備方法及其應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710893265.2
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107649150B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發(fā)明（設計）人: 劉平;王波;黃學煙;趙燕;張璐璐
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學
• 主分類號: B01J27/04
• 分類號: B01J27/04;B01J35/10;B01J37/08;B01J37/16;C01B3/04;B82Y30/00
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊;林文弘

本發(fā)明公開了一種富含硫空位的Cd/CdS異質(zhì)結(jié)可見光催化劑的制備方法及其應用。以溶劑熱法制備的CdS為前驅(qū)體，通過熱處理法合成中間體CdO/CdS復合材料，并利用硼氫化鈉原位化學還原方法直接獲得。本發(fā)明制備出的Cd/CdS復合可見光催化劑，由于含有大量的硫空位，大大提高了催化劑對可見光的吸收利用，且高導電性的Cd與CdS之間具有更加緊密的接觸，從而光生電子?空穴能更好分離，光催化效率更高。該異質(zhì)結(jié)光催化劑具有較高的穩(wěn)定性，在可見光照射下，表現(xiàn)出優(yōu)良的光催化活性，可用于催化光解水制氫。本發(fā)明制備條件要求低，操作簡單，原材料廉價易得。對環(huán)境友好，可見光催化效率高。在光催化領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料制備及可見光光催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種富含硫空位的Cd/CdS異質(zhì)結(jié)可見光催化劑的制備方法及其應用。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染與能源緊缺問題日益凸顯，成為21世紀人類社會發(fā)展道路上面臨的兩大挑戰(zhàn)。半導體光催化技術(shù)是以太陽能轉(zhuǎn)化與儲存為核心，以光能驅(qū)動光催化反應。將太陽能轉(zhuǎn)化成化學能被認為是解決能源與環(huán)境這兩個問題的一種理想的途徑。但是，目前光催化劑技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應用仍然面臨著一些問題。例如，量子效率低，光催化劑光響應范圍窄，穩(wěn)定性差等。因此，尋找和制備高效、穩(wěn)定的可見光光催化材料是實現(xiàn)光催化技術(shù)實際應用的先決條件，也是光催化材料研究者所需要解決的首要任務之一。

CdS作為一種重要的可見光光催化劑，由于它獨特的電學、光學、磁學及其發(fā)光性能，在光催化反應中得到廣泛的研究。然而，CdS的光生電子和空穴快速復合以及嚴重的光腐蝕仍然是限制其廣泛應用的主要壁壘。因此，如何促進其載流子有效分離對于提高半導體金屬硫化物光催化性能至關(guān)重要。界面調(diào)控是促進載流子有效分離，從而提高光催化活性最為有效的方法之一。

對于硫化物半導體，硫空位缺陷在物理化學過程中起到至關(guān)重要的作用。與普通硫位點相比，硫空位表現(xiàn)出與結(jié)合物更強的結(jié)合力，更有利于將吸附物分解為高活性的基團，因此，在許多化學反應中，硫空位通常是硫化物表面最主要的活性位點。更重要的是，在光催化反應中，硫空位還與優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)和載流子分離有關(guān)。硫空位態(tài)作為雜質(zhì)能級位于價帶和導帶之間，可以窄化半導體的帶隙，從而促進可見光下光子的吸收和電子激發(fā)。硫空位帶電的性質(zhì)也有利于電子傳遞，從而促進電子空穴對分離，進而表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光光催化活性。

近年來，在半導體表面負載金屬（如金（Au）、銀（Ag）、鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）等）已經(jīng)引起了眾多研究者的興趣。當金屬沉積到光催化材料的表面時，就會在金屬和光催化材料的界面處形成肖特基能壘，引起光催化材料表界面性質(zhì)的改變。肖特基能壘可以作為電子陷阱能夠有效地捕獲光生載流子，提高光生電子-空穴的分離效率并延長其壽命，從而提高光催化效率。金屬/CdS復合材料可以降低光生電子-空穴對的復合率，有利于光催化活性的提高。例如專利CN 104923264A公開了一種貴金屬修飾的CdS納米棒光催化劑的制備方法，該發(fā)明中的光催化劑由貴金屬Pt、Pd或Ru和納米棒狀CdS構(gòu)成，通過一鍋的溶劑熱法實現(xiàn)納米棒狀CdS的形成和貴金屬的沉積修飾。所得樣品具有高效、穩(wěn)定的可見光催化活性。專利CN 105413712A公開了一種金納米棒-CdS-金納米粒子復合光催化劑。該發(fā)明采用簡單的靜電自組裝方法制得的光催化劑具有高催化效率和高選擇性。上述專利所利用的助催化劑均為貴金屬，考慮到貴金屬資源稀缺，價格昂貴，嚴重限制了實際的工業(yè)應用。考慮到廉價，低毒，傳遞性質(zhì)及低的有效電荷質(zhì)量等優(yōu)勢，金屬鎘成為一個理想的候選者。另外，金屬Cd易與CdS的緊密結(jié)合也有利于光生載流子的傳遞。