[發(fā)明專利]金屬性化合物/氧化物/硫化物三相異質(zhì)結(jié)光催化材料及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811412978.3
• 申請(qǐng)日: 2018-11-23
• 公開（公告）號(hào): CN111215095B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉崗;朱華澤;楊勇強(qiáng);康向東;楊志卿;葉恒強(qiáng);成會(huì)明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號(hào): B01J27/04
• 分類號(hào): B01J27/04;B01J37/10;C01B3/04
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發(fā)明涉及材料制備與光催化領(lǐng)域，具體為一種金屬性化合物與氧化物、硫化物同步構(gòu)筑的三相異質(zhì)結(jié)光催化材料及其制備方法。以金屬性化合物分別作為前驅(qū)體和生長基體，在其表面通過原位水解生成金屬氧化物的同時(shí)，硫化物前驅(qū)體在其表面原位生長，同步生長構(gòu)建具有Z機(jī)制的三相異質(zhì)結(jié)光催化材料。本發(fā)明提供的制備方法通過同步原位生長構(gòu)筑三相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，減小常規(guī)的多步制備方法造成的界面接觸不充分、結(jié)構(gòu)和組分差異大所導(dǎo)致的高肖特基勢(shì)壘，顯著促進(jìn)光生電荷的有效分離與傳輸能力，大幅提高光催化材料的光催化產(chǎn)氫性能。該制備方法工藝簡單，具有普適性，產(chǎn)率高，在光催化制氫領(lǐng)域頗具應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料制備與光催化領(lǐng)域，具體為一種金屬性化合物與氧化物、硫化物同步構(gòu)筑的三相異質(zhì)結(jié)光催化材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著全球環(huán)境壓力日益增加，尋求一種可替代且清潔無污染能源勢(shì)在必行。太陽能因其巨大的蘊(yùn)藏量且清潔無污染，愈來愈受到人們的青睞。在太陽能的多種利用方式中，發(fā)展高效光催化材料，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，被認(rèn)為是高效利用太陽能的最佳方式之一。光催化材料的效率主要取決于光催化材料的光吸收、光生載流子的分離與傳輸，以及在材料表面的光催化反應(yīng)三個(gè)關(guān)鍵步驟。但對(duì)單一的光催化材料來說，很難同時(shí)滿足上述三個(gè)條件，因而限制光催化材料的實(shí)際應(yīng)用潛力，尤其是光生電子與空穴難以高效空間分離與傳輸是一個(gè)主要的限制因素。除了常用的添加貴金屬助催化劑促進(jìn)電荷有效分離外，構(gòu)建復(fù)合光催化材料是另一最常用的改性策略，尤其是近年來發(fā)展的通過構(gòu)建Z機(jī)制型復(fù)合光催化材料受到特別關(guān)注。

通常構(gòu)建復(fù)合光催化材料的方法是先分別合成單獨(dú)的光催化材料，然后再通過研磨或濕化學(xué)法混合到一起形成復(fù)合光催化材料。由于不同光催化材料間的界面差異以及難以緊密接觸導(dǎo)致界面間存在較高的肖特基勢(shì)壘，不利于光生載流子的分離與傳輸。因而，發(fā)展制備高效復(fù)合光催化材料的新方法顯得尤為重要。

硫化鎘(CdS)半導(dǎo)體光催化劑，因兼具寬光譜吸光能力和合適的分解水產(chǎn)氫帶邊位置而受到廣泛關(guān)注，但由于其空間電荷分離與傳輸能力較差導(dǎo)致實(shí)際光催化性能遠(yuǎn)低于預(yù)期水平。與其它光催化劑復(fù)合構(gòu)建Z機(jī)制型異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種有效的改性手段。但采用常規(guī)的混合方法將CdS與其它光催化劑復(fù)合所制備的復(fù)合光催化劑，往往受到界面間高肖特基勢(shì)壘的限制，難以有效發(fā)揮Z機(jī)制復(fù)合光催化劑的效能。因此，如何構(gòu)建界面間緊密接觸且錯(cuò)配度低的Z機(jī)制型異質(zhì)結(jié)界面結(jié)構(gòu)，成為有效提高CdS復(fù)合光催化材料的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種同步原位水熱法合成金屬性化合物/氧化物/硫化物三相異質(zhì)結(jié)光催化材料及其制備方法，解決現(xiàn)有制備方法中異質(zhì)結(jié)界面間不利于電荷分離與傳輸?shù)谋锥恕?/p>

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種金屬性化合物/氧化物/硫化物三相異質(zhì)結(jié)光催化材料，該光催化材料由金屬性化合物以及在金屬性化合物表面：由金屬性化合物原位生長的金屬氧化物和由硫化物前驅(qū)體同步生長的硫化物三相組成，金屬性化合物與硫化物的質(zhì)量比為1：0.1～1：0.6。

所述的金屬性化合物/氧化物/硫化物三相異質(zhì)結(jié)光催化材料，在金屬性化合物表面直接生成較小顆粒的金屬氧化物和較大顆粒的硫化物，金屬氧化物和硫化物都與金屬性化合物電子媒介間存在良好的界面匹配和充分的界面接觸，構(gòu)成一個(gè)完好的三相Z型異質(zhì)結(jié)；其中，金屬性化合物的粒徑范圍為3～9μm，金屬氧化物的粒徑范圍為20～70nm，硫化物的粒徑范圍為100～500nm。

所述的金屬性化合物/氧化物/硫化物三相異質(zhì)結(jié)光催化材料，金屬性化合物為過渡金屬硼化物、過渡金屬氮化物中之一種；金屬氧化物為金屬性化合物所對(duì)應(yīng)生成的金屬氧化物；硫化物為硫化鎘。

所述的金屬性化合物/氧化物/硫化物三相異質(zhì)結(jié)光催化材料，過渡金屬硼化物為FeB₂、NiB_x、TiB₂、TaB₂、WB₂；過渡金屬氮化物為TiN。