[發明專利]一種兼具B摻雜和S空位及肖特基結的B-ZCSv/Cd和制備方法并用于染料廢水產氫

有效

• 申請號: 202111371336.5
• 申請日: 2021-11-18
• 公開（公告）號: CN114029071B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 王敏;姜魯華;許勇
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: B01J27/04
• 分類號: B01J27/04;C01B3/04;C02F1/30;C02F101/30
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 孟琦

本發明公開了一類用于從染料廢水中直接產氫的光催化劑，即兼具B摻雜和S空位以及肖特基結的B?ZCSv/Cd及其制備方法。這類光催化劑是通過NaBH₄在惰性氣氛下處理硫化鋅鎘得到的。制備這類催化劑的方法簡單易行，對環境友好。當用作光解水催化劑時，具有較高的活性；在染料廢水中產氫時，活性進一步提高，同時實現了染料的降解。

技術領域

本發明屬于光催化領域，涉及一類用于從染料溶液中直接制備氫氣的同時實現染料降解的新型，綠色、高效B-ZCSv/Cd光催化劑及其合成方法，特別涉及一種具有硫空位異質結元素摻雜的B-ZCSv/Cd納米材料及其合成方法。

背景技術

日益增長的能源需求與化石能源危機之間的矛盾使得發展可持續清潔能源迫在眉睫。氫能因其環境友好、能量密度高成為一種有希望的候選能源。光催化分解水是一種綠色、低碳的制氫方法。目前，常用的光催化劑是TiO₂，然而TiO₂只能吸收紫外光限制了它們的大規模使用。設計制備一類高效、高穩定的能夠吸收可見光的光催化劑意義重大。在眾多的半導體中，Zn_xCd_1-xS(ZCS)由于其可調諧的帶隙、易于合成和對可見光的高度響應而被廣泛研究。然而，其較快的光生載流子復合速率的限制了其實際應用。

為了進一步提高其光催化性能，出現了眾多的解決方案。如雜原子摻雜、缺陷工程、構筑異質結構等。例如，文獻(Applied?Catalysis?B:Environmental?2020,262.)制備了P摻雜的孿晶Zn_0.5Cd_0.5S_1-x納米棒具有長程有序同質結，并含有缺陷誘導的S空位，在可見光照射下表現出較高的H₂和O₂析出率。文獻(Journal?of?Materials?Chemistry?A?2020,8(7),3882-3891.)制備了硫空位修飾的Cd_xZn_1-xS納米晶固溶體，具有完整的孿晶結構，并且具有更長的耐用性和穩定性，以Na₂S/Na₂SO₃作為空穴犧牲劑，光催化劑的性能大大提高。但仍需使用空穴犧牲劑提高光解水制氫活性。文獻(Applied?Surface?Science?2020,528.)報告了NiCo₂S₄@Zn_0.5Cd_0.5S催化劑，由于形成的直接Z-型異質結提高了光生載流子的分離效率，在可見光照射下表現出優異的光催化析氫活性。然而，通過一步反應將上述三種策略結合起來以進一步提高Zn_xCd_1-xS的光解水制氫活性鮮有報道。

此外，制約光催化劑Zn_xCd_1-xS光解水制氫活性的原因除了單一的Zn_xCd_1-xS的光生載流子易復合以外，析氧反應較慢的動力學反應速率進一步降低了其光解水制氫活性。目前，常用的策略是在反應體系中添加空穴犧牲劑。考慮到空穴犧牲劑的高成本以及直接光解水產生氧氣的低附加值。一個有效得解決方案是用動力學反應速率高的反應來替代水的氧化反應。

發明內容

針對上述問題，本發明首次將雜原子摻雜、缺陷工程、異質結構相結合，制備了一種同時具有B摻雜、S空位以及肖特基結的B-ZCSv/Cd光催化劑，用于從染料溶液中直接制備H₂并實現染料降解。該制備方法通用性強、工藝過程簡單，易于放大。

一方面，本發明提供了一種同時將雜原子摻雜、缺陷工程、異質結構三種功能于一身的Zn_xCd_1-xS材料，上面所述材料包含B摻雜、S空位以及B-ZCSv/Cd肖特基結，所述B摻雜量為0～4.0wt％，優選為3～3.2wt％，所述S空位的濃度與摻雜的B含量正相關。