[发明专利]过渡金属离子掺杂多孔CdIn2S4光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子掺杂多孔CdIn₂S₄光催化剂的制备方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，能源短缺和环境污染问题日益突出，利用太阳能光催化分解水和硫化氢为人们提供了一种将太阳能转换为氢能的环境友好途径。但是，大部分光催化剂禁带宽度较大，光催化反应需要较高的能量激发，可见光下分解水制氢的活性并不理想，开发具有可见光响应的高效光催化剂具有十分重要的意义。随着功能材料的发展，开发具有高催化性能的多孔金属硫化物光催化剂已成为材料科学研究的热点。

三元金属硫化物AB_mC_n(A＝Zn、Cd，etc；B＝Al、Ga、In；C＝S、Se、Te)，是一类具有独特光电性能和催化性能的新型半导体光催化材料。此类金属硫化物的禁带宽度较窄，化学稳定良好，在可见光区域具有较强的吸收，可提高光能利用率，近年来被用作太阳能电池、光导体和发光二极管等，并且在光催化分解水制氢气和污染物降解等方面逐渐受到人们的关注。但单纯的三元金属硫化物的光催化活性较低，利用CdIn₂S₄光催化剂进行光催化分解硫化氢制氢反应，其平均产氢速率仅为527.5μmol/(h·g)。

发明内容

本发明是要解决现有CdIn₂S₄光催化剂的光催化活性较低的问题，提供过渡金属离子掺杂多孔CdIn₂S₄光催化剂的制备方法。

本发明过渡金属离子掺杂多孔CdIn₂S₄光催化剂的制备方法，按以下步骤进行：一、将二价镉盐、三价铟盐和硫代乙酰胺溶于水或非水溶剂中，Cd、In和S的摩尔比为1∶2∶8，二价镉盐与水或非水溶剂的摩尔比为1∶2000，然后加入模板剂，模板剂的浓度为6.8×10^-3～5.6×10^-2mol/L，于35℃用50KHz超声波处理5～10min至完全溶解；二、然后加入过渡金属盐，过渡金属盐的质量为二价镉盐质量的0.1％～5.0％，然后于30～80℃下超声处理20～40min，超声波频率为50～99KHz，得到黄色胶状沉淀；三、将黄色胶状沉淀转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在120～200℃下热处理6～24h，冷却至室温，离心，收集沉淀，用蒸馏水洗涤3～5次；四、然后离心，收集沉淀，于70～80℃的条件下，用无水乙醇进行超声洗涤2～3次，每次15～20min，超声波频率为50～70KHz，然后进行抽滤，之后于80℃下真空干燥，即得到过渡金属离子掺杂的多孔CdIn₂S₄光催化剂；其中步骤一中的非水溶剂为无水乙醇、聚乙二醇6000、吡啶中的一种或其中几种的混合，步骤一中的模板剂为十二烷基磺酸钠、溴代十六烷基吡啶、十二烷基三甲基溴化胺中的一种或其中几种的混合，步骤一中的过渡金属盐为Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu金属盐中的一种或其中几种的混合。

原理：将少量的过渡金属离子掺入到半导体材料的晶格中，通过引入缺陷位或者改变其结晶度，影响光生电子-空穴对的复合及其传递过程。掺杂能级相当于为光生电子提供了一个跳板，使电子分两步或多步跃迁至导带，可以实现较低能量的长波长可见光激发。在晶格中掺杂金属离子，可以成为光生电子-空穴对的俘获阱，抑制二者的复合，提高电子-空穴对的分离效率，从而提高光催化活性。

本发明的工艺简单，操作简便，无其它杂质产生；本发明制备的过渡金属离子掺杂多孔CdIn₂S₄光催化剂为立方相CdIn₂S₄，为大小均匀的多孔微球体，球径约为4～6μm，具有良好的结晶度和化学稳定性，在可见光区有较强的吸收，具有较高的可见光催化产氢活性，能够实现在温和的反应条件下分解工业废气H₂S制取氢气；利用本发明制备的过渡金属离子掺杂多孔CdIn₂S₄光催化剂进行光催化分解硫化氢制氢反应，其平均产氢速率为700～2000μmol/(h·g)，而CdIn₂S₄光催化剂的平均产氢速率仅为527.5μmol/(h·g)。

附图说明