[发明专利]一种Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及一种Cd_1‑xZn_xS‑Ni/MoS₂复合光催化剂及其制备方法、应用。属于无机纳米材料领域。复合材料中MoS₂纳米片的结晶度很低，能够暴露大量的产氢活性位点。通过Zn和Ni的掺杂显著提高了CdS的光生电荷的氧化还原能力并促进了光生电荷的分离。尺寸均一的组装纳米球具有良好的抗光腐蚀和防聚集能力。合成材料所采用的超声水浴法结合静电吸附组装过程简单可控，且所述方法制备得到的复合材料在可见光下无需负载贵金属即可实现高效的光催化分解水产氢的目的，大大降低了能耗和成本，制备得到的复合材料催化产氢速率高达112mmol·h^‑1·g^‑1。

技术领域

本发明涉及无机纳米材料领域，具体涉及一种高效的Cd_1-xZn_xS-Ni/MoS₂复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

能源短缺与环境污染是制约当今世界发展的两个主要难题。为了实现人类社会的可持续发展，关于环境净化与清洁能源生产的需求越来越迫切。随着社会能源消耗量的不断增长，化石燃料的需求也随之进一步增加，然而，由于化石燃料的不可再生性，长此以往化石能源将会迅速减少直至消失殆尽。此外，化石燃料燃烧所造成的温室效应和环境污染问题日益严峻，因此，新型可持续能源的开发势在必行。氢气作为一种新兴的能源载体，它具有能量密度高和燃烧产物无污染等优势，是化石能源的理想替代品。制氢的途径有多种，目前应用最广泛的方法是从化石燃料中提取氢气，然而这样会产生导致环境问题的CO₂、CO等副产物。太阳能取之不尽用之不竭，而光催化分解水制氢技术因其能直接利用和转化太阳能受到了人们的广泛关注，显示出了广阔的应用前景。

硫化镉(CdS)是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，属于直接带隙半导体化合物。CdS的能隙值约为2.4eV，对应的吸收边位于太阳光辐射的可见光范围内，而且，CdS具有合适的能带结构能够有效激发光解水产氢反应。因此，CdS是一种优良的可见光分解水产氢催化剂。尽管如此，单独的CdS颗粒在光催化反应中表现出来的光生电荷复合速率高，光腐蚀以及聚集现象等，严重降低了其光催化反应的效率。为了促进光生电荷分离，将CdS与其他半导体进行复合构筑异质结是一种有效的策略。最近研究表明，层状结构的过渡金属硫化物比如MoS₂，WS₂等，作为催化剂或助催化剂在光催化和电催化反应中表现出了十分优异的产氢活性，甚至超过了贵金属修饰的催化剂。因此，将层状结构的过渡金属硫化物负载到CdS上有望实现高效的可见光分解水产氢反应。同时，研究发现，对CdS进行Zn的掺杂能够使其导带电势变得更负，而Ni的掺杂不仅可以提高CdS的光吸收能力而且能够增强其对光生电荷的分离能力，因此，对CdS进行Zn和Ni的掺杂有助于显著提升其光解水产氢的活性。此外，为了提高CdS纳米颗粒的抗腐蚀和分散能力，通过将CdS纳米颗粒自组装形成尺寸均一的复合纳米球是一种行之有效的方法。然而，对CdS进行掺杂通常需要高温高压的水热/溶剂热反应条件，而且发明人发现：到目前为止，尺寸均一的由Zn,Ni共掺杂的CdS颗粒组装而成的纳米球还难以被制备得到。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种高效的Cd_1-xZn_xS-Ni/MoS₂复合光催化剂的制备方法，即通过超声水浴法首先合成出由Zn,Ni共掺杂的Cd_1-xZn_xS-Ni组装的纳米球，然后进一步通过静电吸附的方法负载上MoS₂，得到Cd_1-xZn_xS-Ni/MoS₂复合组装纳米球。该材料具有比表面积大，活性位点多，可见光吸收能力强，以及光生电荷复合速率低等优势，呈现出了优良的光催化分解水产氢活性。