[發(fā)明專利]一種核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010520953.6
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111468139B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱挺;劉國強(qiáng);曾偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: B01J27/04
• 分類號: B01J27/04;B01J35/02;B01J35/08;B01J35/10;C01B3/04
• 代理公司: 西安匯恩知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61244
• 代理人: 張偉花

本發(fā)明提供了一種核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料，以SiO₂納米球?yàn)閮?nèi)核，以ZnS/CuS_x的納米片狀結(jié)構(gòu)為外殼，還提供了制備方法，該方法為：將正硅酸乙酯和氨水加入至乙醇中，攪拌混合得到SiO₂納米球，分散于去離子水中，加入尿素、硝酸銅水溶液和硝酸鋅水溶液，在水熱反應(yīng)后，離心、干燥，得到核殼結(jié)構(gòu)初產(chǎn)物，加入硫脲，水熱反應(yīng)后，離心、干燥，得到核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料。還提供了核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料的應(yīng)用，用于太陽能分解水制造氫氣。本發(fā)明通過光子在內(nèi)核SiO₂納米球和外殼ZnS/CuS_x不斷地反射，提高光能利用率，并且能充分利用可見光的光能催化水分子分解產(chǎn)生氫氣，快速析出。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

氫能源是一種具有遠(yuǎn)大發(fā)展前景的清潔能源，對于如何廉價(jià)、高效地獲取它已經(jīng)成為世界性的研究熱點(diǎn)。而太陽能分解水制氫是一種環(huán)保而又廉價(jià)的途徑，它具有綠色、能耗小、成本低等特點(diǎn)，因此受到了很大程度的關(guān)注。

ZnS作為一種重要的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙半導(dǎo)體材料，它在光催化、光電學(xué)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，而純的硫化鋅因禁帶寬度較寬只能吸收太陽光中的紫外波段能量，而占太陽光能量的近50％的可見光部分則未能有效利用，這大大限制了它的能量利用率和催化效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料及其制備方法，該核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料的通過光子在內(nèi)核SiO₂納米球和外殼ZnS/CuS_x不斷地反射，提高光能利用率，并且能充分利用可見光的光能催化水分子分解產(chǎn)生氫氣，快速析出。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料，所述核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料以SiO₂納米球?yàn)閮?nèi)核，以ZnS/CuS_x的納米片狀結(jié)構(gòu)為外殼。

優(yōu)選地，所述SiO₂納米球的直徑為200nm～350nm；所述核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料的直徑為500nm～600nm。

優(yōu)選地，所述ZnS/CuS_x中Zn元素和Cu元素的摩爾比為0.2:1。

本發(fā)明還提供了制備上述的核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料的方法，該方法為：

S1、在室溫的條件下，將正硅酸乙酯和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17％的氨水加入至乙醇中，在轉(zhuǎn)速為300r/min～600r/min的條件下攪拌混合1h～5h，得到SiO₂納米球；所述正硅酸乙酯、氨水和乙醇的體積比為4.2:24:80；

S2、向S1中得到的SiO₂納米球分散于去離子水中，然后加入尿素、濃度為0.1mol/L的硝酸銅水溶液和濃度為0.1mol/L的硝酸鋅水溶液，在溫度為100℃～120℃的條件下水熱反應(yīng)6h～10h后，離心后干燥，得到核殼結(jié)構(gòu)初產(chǎn)物；

利用尿素作為沉淀劑以提供堿性環(huán)境，在SiO₂納米球表面生長堿式硅酸鋅銅復(fù)合物的片狀結(jié)構(gòu)，整體形成核殼結(jié)構(gòu)，使得鋅、銅離子發(fā)生共沉淀反應(yīng)；

S3、向S2中得到的核殼結(jié)構(gòu)初產(chǎn)物中加入硫脲，在溫度為90℃～120℃的條件下水熱反應(yīng)6h～24h后，離心后干燥，得到核殼結(jié)構(gòu)納米球光催化材料；

S2得到的核殼結(jié)構(gòu)初產(chǎn)物在硫脲作為硫化劑的條件下進(jìn)行硫化反應(yīng)，硫離子將堿式硅酸鹽中陰離子部分取代形成ZnS/CuS_x，硫化后造成核殼之間存在空間，這種結(jié)構(gòu)帶來了高比表面積和豐富的殼層空隙，實(shí)現(xiàn)催化劑內(nèi)水分子的快速浸潤和擴(kuò)散、光生電子和空穴的高效傳輸和利用以及水分解產(chǎn)生的氫氣和氧氣的快速析出的功能性特點(diǎn)。