[发明专利]一种富勒烯/硫化镉纳米复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于纳米材料的，特别涉及一种用于光催化分解水产氢和光催化降解染料的纳米复合光催化剂。

背景技术

进入21世纪以来，能源短缺与环境污染问题已经成为人类生存和发展所面临的两大关键问题。多年来，人们致力于寻找合适的可再生能源以及污染物处理方法。在众多的解决方法中，半导体光催化剂由于可以有效利用太阳能，被认为是一种可以同时解决能源和环境问题的有效方法，并且得到了研究人员的广泛关注。在过去的四十多年里，陆陆续续有许多半导体材料被发现可用于作光催化剂，并且取得了一定的进展，但开发出切实可用的光催化剂仍然存在很多问题。

在众多的半导体光催化剂中，硫化镉(CdS)由于具有低的禁带宽度(2.4eV)，可以较好得吸收太阳光中的可见光部分，在太阳光或可见光下都表现出非常优异的光催化性能。此外，CdS还具有资源分布广，价格低，制备简单等优势。因此CdS作为一种重要的半导体材料，已经被运用于各种不同的领域，如光电学、太阳能电池、化学传感器和光催化剂。然而，CdS基光催化材料也存在着如光催化活性差、量子转换效率低和光腐蚀问题等内在缺陷。在太阳光照射下，CdS中的硫离子很容易被光生空穴所氧化形成单质硫，导致其光催化活性变低以及稳定性变差，严重限制了它的实际应用。因此，如何解决这些问题是提高CdS光催化活性的关键。目前，除了传统的掺杂、复合等方法，选择以碳材料作修饰以提高CdS的光催化性能已经成为近来的研究热点。人们通过将无定型碳、氧化石墨烯或碳纳米管等碳材料与CdS复合制备纳米复合材料，利用碳材料导电性好、比表面积大等优点以提高CdS的光催化活性。富勒烯C₆₀作为碳的一种新型同素异形体，由于独特的非定域化大π键结构使得其具有优异的电子亲和力，具有丰富的化学反应活性。因此，富勒烯C₆₀已经在太阳能电池和人造光合作用等领域受到广泛的重视。另外，基于其优异的电子传导特性，富勒烯C₆₀还可以有效提高TiO₂、g-C₃N₄和ZnO等光催化剂中光生载流子的分离速度，从而提高它们的催化活性。然而，据了解，目前很少有报道将富勒烯C₆₀和CdS复合以提高CdS光催化剂的催化活性。因此，开发具有高催化活性及高稳定性的新型富勒烯/硫化镉纳米复合材料对CdS光催化材料的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的，是针对目前的硫化镉基光催化材料存在光催化活性低和光腐蚀导致的循环稳定性差等内在缺陷，提供了一种通过水热法一步制备的富勒烯/硫化镉纳米复合光催化剂及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

(1)将二水合醋酸镉和L-半胱氨酸加入去离子水中，搅拌后得到均匀分散的混合溶液；混合溶液中二水合醋酸镉和L-半胱氨酸与去离子水的质量比为1.33:1.22～3.66:20～30；

(2)将富勒烯C₆₀加入到步骤(1)制得的混合溶液中，搅拌后得到富勒烯C₆₀均匀分散的混合溶液，然后进行水热反应；其中富勒烯C₆₀与步骤(1)混合溶液中生成的硫化镉的质量比为0.4～8:100；

(3)将步骤(2)的水热产物使用去离子水和乙醇交替洗涤以去除杂质，然后将产物真空干燥得到富勒烯/硫化镉纳米复合光催化剂。

所述步骤(1)混合溶液的搅拌速度为300～400r/min，搅拌时间为1～2h。

所述步骤(2)含富勒烯C₆₀的混合溶液的搅拌速度为300-400r/min，搅拌时间为0.5-1h。

所述步骤(3)水热反应的温度为160-220℃，水热保温时间为5-12h，然后自然冷却到室温。

所述步骤(3)采用去离子水和乙醇交替洗涤，重复6～10次；真空干燥温度为50-100℃，真空干燥时间为8-12h。

本发明所述的富勒烯/硫化镉纳米复合光催化剂中，硫化镉纳米晶具有尺寸小(30-80nm)的特点，因此在光照时的光电子迁移路程变短，有利于反应的发生。在富勒烯/硫化镉纳米复合光催化剂中富勒烯C₆₀均匀覆盖在硫化镉纳米晶表面，可以有效导出光生电子促进光催化反应的进行，提高硫化镉的光催化活性；同时，由于富勒烯C₆₀优异的电子亲和力可以有效提高硫化镉中光生载流子的分离速度，从而进一步增强其循环稳定性。

与现有技术相比较，本发明具有以下明显的优点：