CN111939933A - 一种三元阶梯型异质结半导体光催化剂制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种三元阶梯型异质结半导体光催化剂制备方法，涉及一种光催化剂制备方法，本发明为一种新型用于增强可见光光催化活性的Ag:ZnIn2S4/CdS/RGO三元阶梯型异质结的制备方法和条件，涉及光催化功能材料及其制备领域，将两个光敏硫化物半导体在水热条件下与RGO耦合形成稳定的三元异质结，并获得目标光催化剂。这种合理设计的三元异质结光催化剂提高了可见光吸收率，产生了较大的表面积，暴露出足够的催化活性位点。同时，异质结构界面处的内置电势梯度可以促进电子‑空穴对的分离，并降低其复合的机会。最终提高材料光催化产氢效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化剂制备方法，特别是涉及一种三元阶梯型异质结半导体光催化剂制备方法。
背景技术
为了有效地利用太阳能，开发出地球丰富，廉价，可见光驱动的催化剂已成为光催化领域的重要任务。在所研究的各种光催化剂中，CdS由于其禁带宽度约为2.4 eV，在可见光范围内具有强吸收，光响应范围更宽，可以达到可见光的使用效率。然而，由于其较差的吸附性能和光化学不稳定性，纯CdS的光催化活性受到限制。因此，已提出许多策略来提高单一CdS的光催化活性，如掺杂，敏化，构建异质结，Z方案系统，制备微/纳米结构以及负载适当分子催化剂。
在这些方法中，异质结光催化剂的构造更有效，因为它可以诱导电子转移到耦合的半导体中并有效地促进电子-空穴对分离，留下更多的电荷载体在反应中。然而，二元体系的光催化活性仍然不能满足实际应用，因为它通常会受到两种半导体界面处电荷载流子的高复合率的影响。因此，非常希望进一步改善二元光催化体系的电荷转移动力学。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三元阶梯型异质结半导体光催化剂制备方法，发明将两个光敏硫化物半导体在水热条件下与RGO耦合形成稳定的三元异质结，并获得目标光催化剂。制备的光催化剂提高了可见光吸收率，产生了较大的表面积，暴露出足够的催化活性位点，在可见光照射下，可以分解水生成氢气。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的优点与效果是：
（1）通过水热法可以将Ag+均匀而稳定的掺杂到ZnIn2S4中，Ag+掺杂对ZnIn2S4的能带结构有影响，即通过取代掺杂和间隙掺杂，Ag+可以形成受体和施主态，分别使费米能量在ZnIn2S4的带隙内移动。
（2）将两个光敏硫化物半导体在水热条件下与RGO耦合形成稳定的三元异质结，可以有效改善单一CdS的光化学稳定性，延长循环使用寿命。
（3）所制备的Ag:ZnIn2S4/CdS/RGO异质结光催化剂，由于异质结构界面处的内置电势梯度导致光生载流子形成阶梯型转移，扩散范围增大，抑制电子与空穴的复合，延长寿命，使其具有更加优异的光催化性能。
本发明为开发可见光半导体光催化领域提供一种新的技术路径，对于解决日益严重的能源问题具有重要意义。
附图说明
图1为本发明Ag:ZnIn2S4/CdS/RGO异质结光催化剂的TEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但其并不限制本发明的保护范围。
本发明为一种Ag:ZnIn2S4/CdS/RGO新型三元阶梯型异质结光催化剂及其制备方法，并将其应用于光催化产氢中。本发明以CdS纳米棒为基础，通过水热法将Ag:ZnIn2S4均匀生长在CdS纳米棒表面，并且使之与RGO耦合。
实施例1
（1）利用优化Hummers法制备氧化石墨烯。首先，利用强酸强氧化剂对石墨片进行氧化，在反应过程中通过控制氧化剂的加入方式、反应温度等因素制备出具有较高氧化程度的氧化石墨。然后，在水溶液中，利用超声作用剥落氧化石墨来制备单分散氧化石墨烯溶液（1g/L）。
（2）利用溶剂热法制备CdS。首先，在超声波处理下，将硫脲和CdCl2分别分散在10mL乙二胺中，并继续超声处理。将混合物转移到100 mL Teflon反应釜中，密封并在160℃下保持48小时。 在自然冷却至室温后，手动收集固体产物并通过用去离子水离心彻底洗涤并在60℃下干燥12小时， 获得CdS纳米棒。
（3）在超声条件下将200 mg CdS分散于50 mL去离子水中，然后加入846 μL 0.05mmol/mL醋酸锌溶液，846 μL 0.1 mmol/mL醋酸铟溶液，312 μL 0.8 mmol/L硝酸银溶液，510 μL的0.01 mmol/mL L-半胱氨酸，并超声处理10 mim。将混合物转移至100mL Teflon反应釜中，并加入1704 μL 0.01 mmol/mL 硫代乙酰胺溶液磁力搅拌30 min。将反应釜在160℃下保持6小时。在自然冷却至室温后，手动收集固体产物并用去离子水彻底洗涤，并在50℃下干燥12小时，得到3 wt％Ag:ZnIn2S4/CdS异质结光催化剂。
（4）称取100 mg 步骤（3）中合成的3 wt% Ag:ZnIn2S4/CdS，再加入0.5 mL氧化石墨烯溶液，超声30min，将溶液转移到100 mL聚四氟乙烯内衬中，将反应釜于160 oC条件下水热反应6 h。之后自然冷却至室温，所得产物用去离子水和无水乙醇依次洗涤3~5次，并在50oC下干燥12 h，得到3 wt% Ag:ZnIn2S4/CdS/0.5 wt% RGO三元异质结光催化剂。
实施例2
如实施例1所述，所不同的是将步骤（4）中加入氧化石墨烯溶液的量调为0.75 mL，则最终的催化剂为含有0.75 wt% RGO的3 wt%Ag:ZnIn2S4/CdS/1 wt% RGO。
实施例3
如实施例1所述，所不同的是将步骤（4）中加入氧化石墨烯溶液的量调为1 mL，则最终的催化剂为含有1 wt% RGO的3 wt%Ag:ZnIn2S4/CdS/1 wt% RGO。
实施例4
如实施例1所述，所不同的是将步骤（4）中加入氧化石墨烯溶液的量调为2 mL，则最终的催化剂为含有2 wt% RGO的3 wt%Ag:ZnIn2S4/CdS/2 wt%RGO。
实施例5
如实施例1所述，所不同的是将步骤（4）中加入氧化石墨烯溶液的量调为3 mL，则最终的催化剂为含有3 wt% RGO的3 wt%Ag:ZnIn2S4/CdS/3 wt%RGO。
Claims (1)
1.一种三元阶梯型异质结半导体光催化剂制备方法，其特征在于，所述方法包括以下制备过程：
利用优化Hummers法制备氧化石墨烯，首先，将制得的氧化石墨利用超声作用剥落来制备单分散氧化石墨烯溶液；其次，利用溶剂热法合成CdS纳米棒，将制得的CdS纳米棒超声分散在水中；最后,分别称取Zn(OAc)2， In(OAc)3， AgNO3 和L-半胱氨酸溶解加入到CdS纳米棒分散液中；待充分混匀后，再加入硫代乙酰胺，将溶液转移到带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中；水热反应过后，向得到的黄色沉淀中加入氧化石墨烯溶液，在水热条件下反应，通过离心分离收集墨绿色沉淀，并用去离子和乙醇水依次清洗，烘干得到三元Ag:ZnIn2S4/CdS/RGO异质结半导体光催化剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20201117 |