[發(fā)明專利]過渡金屬元素摻雜及具有硫空位的硫化鎘負載過渡金屬磷化物光催化材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2022-02-21
• 公開（公告）號: CN114471639B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發(fā)明（設計）人: 馬雨威;包金小;謝敏;阮飛;張鳳龍
• 申請（專利權）人: 內蒙古科技大學
• 主分類號: B01J27/185
• 分類號: B01J27/185;B01J35/08;C01B3/04
• 代理公司: 北京博爾赫知識產權代理事務所(普通合伙) 16045
• 代理人: 王燦

本發(fā)明屬于納米復合材料和光催化技術領域，具體公開了一種過渡金屬元素摻雜及具有硫空位的硫化鎘負載過渡金屬磷化物光催化材料及其制備方法。本發(fā)明以二水合乙酸鎘、硫脲、過渡金屬鹽、硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼為原料，具體采用兩步熱處理法和化學還原法制備出渡金屬元素摻雜及具有硫空位的硫化鎘負載過渡金屬磷化物。本發(fā)明所述的制備方法、工藝簡單、反應條件溫和；原料及設備廉價易得，成本低；合成時間短、效率高。可以有效提高材料中光生電荷遷移性能、降低光生電荷復合率、增強復合材料結構穩(wěn)定性并提升光催化性能。

技術領域

本發(fā)明涉及納米復合材料和光催化技術領域，尤其涉及一種過渡金屬元素摻雜及具有硫空位的硫化鎘負載過渡金屬磷化物光催化材料及其制備方法。

背景技術

近年來，人類面臨著越發(fā)嚴重的能源危機問題和全球污染問題。1972年，科研工作者研發(fā)出了一種新型且很有前景的能解決能源和污染問題的新技術-半導體光催化技術。Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)了一種半導體(TiO₂)光催化劑，可以將太陽能轉化為清潔的氫能。在過去的十幾年中，TiO₂基半導體光催化劑被認為是光解水的最佳光催化劑之一。但是，TiO₂較寬的帶隙結構限制了其對光的吸收，使其只能被紫外光激發(fā)。因此，研發(fā)具有可見光響應性的、高效的光催化劑是當前研究的熱點之一。在半導體材料中，CdS在可見光光催化產氫領域引起了廣泛關注。這要歸因于CdS具有2.4eV的窄帶隙結構以及合適的CB位置。然而，CdS半導體光催化劑的應用主要受到高光生電荷復合率、低電荷遷移能力和固有光腐蝕特性的限制。目前，科研工作者研發(fā)了一系列(導帶)CdS基材料用于克服這些缺點，例如：為CdS研發(fā)高效的助催化劑和元素摻雜劑。其中，貴金屬(例如：Pt、Pd和Ru等)由于具有較高的功函數使其具備優(yōu)異的電子捕獲能力，被公認為是光催化產氫的最佳助催化劑之一。但是，經濟因素和環(huán)境因素限制了它們的大規(guī)模應用。因此，利用地球豐富存在的過渡金屬來修飾改性CdS，使其具有優(yōu)良的光催化產氫性能是一種有前景的方法。

目前，大量的研究工作都致力于設計、使用地球中豐富存在的過渡金屬(如：鎳、鈷、鉬)作為助催化材料和摻雜劑與CdS結合以期待提高其光催化產氫性能。一方面，過渡金屬助催化劑與CdS的結合可以起到電子陷阱的作用，降低光生電荷復合效率、提升光生電荷的遷移效率并暴露出更多的活性位點，提高光催化析氫性能。其中，在活性氫化酶[NiFe]的研發(fā)結果公布后，激發(fā)了科研工作者對Ni基助催化劑的研究熱情。例如：Ni、NiSX和Ni(OH)₂。另一方面，適當的過渡金屬元素摻雜也是改善CdS電子結構和提高其催化活性的有效途徑。在CdS晶格中摻雜Ni元素可以起到縮減禁帶寬度、增強電荷遷移能力和提高可見光吸收能力的作用。因此，將CdS與Ni元素結合是研發(fā)高效、低成本復合光催化劑的有效途徑之一。

磷化鎳(Ni₂P)是一種典型的過渡金屬磷化物，它具有與金屬導體特性相似的性質。因此，Ni₂P已經廣泛應用為一種高效的電催化劑。根據研究表明，電催化劑可以作為高效的助催化劑來加速半導體的光催化產氫速率。目前，Ni₂P材料應用到半導體光催化技術中已經引起了廣泛的關注。Du等人使用Ni₂P作為助催化劑，與一維CdS納米棒結合，這極大地促進了電子空穴對的分離，增強了電荷遷移性能，提高了光催化產氫速率。Wang等人采用原位生長法在CdS納米棒上生長納米Ni₂P。由于超細Ni₂P與CdS納米棒之間的緊密結構，增強了光生電荷的遷移性能，提升了光催化性能。然而，同時構筑Ni離子摻雜和Ni₂P負載改性CdS卻鮮有研究。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種過渡金屬元素摻雜及具有硫空位的硫化鎘負載過渡金屬磷化物光催化材料及其制備方法，實現(xiàn)了同時構筑Ni離子摻雜和Ni₂P負載改性具有硫空位的CdS，不僅提高了材料結構的穩(wěn)定性還增強了光催化產氫性能。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：