[发明专利]一种Mn/CdS复合光催化剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化领域，特别涉及一种Mn/CdS复合光催化剂的制备方法及其在光催化方面的应用。

背景技术

近年来，随着工业生产的快速发展，能源和环境污染问题一直受到人们的普遍关注。随着治理工业污染技术的不断提高，光催化技术，即利用太阳能对污染物进行光催化降解技术在环境治理方面的研究越来越深入。半导体材料在光的照射下，能够把光能转化为化学能，从而促进化合物的生成或降解，这就是光催化技术。

目前研究较多的半导体光催化剂为TiO₂光催化剂，但是由于其禁带宽度较宽(Eg＝3.2eV)，限制了其广泛应用，为了拓展TiO₂对太阳光的吸收利用，已经对其进行了大量的改性研究，如表面敏化、半导体复合、金属离子掺杂、非金属掺杂等，但改性后的TiO₂光催化剂的光催化活性仍不能令人满意。

研究光催化剂的另一条思路是寻找新型光催化剂，CdS是一种光电半导体材料，由于其粒径小，比表面积较大，表面缺陷较多，因此，其易于猝灭其自身的发光，从而降低了CdS在光催化中的应用价值，而Mn/CdS复合物，其表面具有核壳结构，但其常作为量子点而被研究。

目前，现有技术中存在制备纳米Mn/CdS复合物的方法，如中国专利CN101774633B，公开了一种水溶液中制备CdS:Mn纳米颗粒的方法，其在镉源、锰源的水溶液中加入稳定剂巯基乙醇，用氢氧化钠溶液调节体系pH后，向体系中通入以惰性气体为载气的硫化氢气体，通气结束后再在微波环境下反应，从而制得纳米Mn/CdS复合物。该方法操作繁琐，在制备过程中需要额外使用稳定剂和可能会造成大气污染的气体原料—硫化氢，同时，惰性气体的使用和微波环境的营造均会造成生成成本的增加，而且，微波环境需要使用特定仪器，且微波仪目前尚无工业级设备，因此，该方法工业实用性差。

因此，亟待开发一种原料来源广泛易得，操作简便易行，工业实用性强的制备Mn/CdS复合物的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：在搅拌的条件下，向醋酸镉和醋酸锰的混合水溶液中加入硫化钠溶液，生成硫化镉沉淀，同时，溶液中的锰离子嵌于生成的硫化镉沉淀表面，形成Mn/CdS复合物，在该复合物中，Mn²⁺作为过渡金属离子，将其嵌于化合物CdS表面，构筑了核壳结构，显著地提高了CdS的光电性质，增加了其对甲基橙和/或苯酚的光催化降解效率，从而完成了本发明。

在光催化剂中，价带电子吸收外界光带来的能量后被激发生成光生电子和空穴，该光生电子跃过禁带，迁移到催化剂表面与被吸附的有机污染物或水分子进行氧化还原反应，将有机污染物降解、脱色、去毒或矿化为二氧化碳、水和无机小分子物质等，此即为光催化原理。由光催化原理可知，光催化剂的禁带宽度越小，其价带电子越容易被激发，跃迁至光催化剂表面，从而起到光催化的作用。

CdS具有较小的禁带宽度，仅为2.45eV，其价带电子容易被激发，跃迁至光催化剂表面，形成光生电子-空穴，然而，有机污染物不易吸附于其表面，光生载流子迁移到有机污染物表面发生光催化反应的时间较长，还未到达有机污染物表面就因为复合而失去作用，导致形成的光生电子-空穴无法对有机污染物进行光催化降解，但本发明人经研究发现，在CdS表面嵌入Mn离子形成Mn/CdS复合物后，该复合物对有机污染物的吸附能力强，可使CdS激发出的光生电子-空穴、羟基自由基和氧负离子与有机污染物接触，从而对有机污染物起到降解的作用，因此，本发明选择硫化镉作为光催化剂的基础，在硫化镉表面嵌入锰离子，从而增加了硫化镉的光催化活性。

本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，一种Mn/CdS复合光催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将Cd(CH₃COO)₂·2H₂O与Mn(CH₃COO)₂·4H₂O混合，溶解，制得原料溶液；

(2)在搅拌条件下，向步骤1中制得的原料溶液中滴加Na₂S溶液，得产物沉淀；

(3)将步骤2中制得的产物沉淀洗涤、干燥、粉碎至其粒径为1～50nm，优选3～30nm，更优选为5～15nm，获得可用作复合光催化剂的Mn/CdS，其中Mn在Mn/CdS复合光催化剂中的重量分数为0.1％～8％，优选0.2％～6％，更优选0.25％～5％。