[发明专利]一例基于硫化镍量子点的复合光催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一例基于硫化镍量子点的复合光催化剂的制备方法及应用。本发明采用两步水热法，首先利用醋酸镉和硫脲为原料，通过水热法合成原始的硫化镉纳米微球，然后以氯化镍、柠檬酸钠和硫脲为原料，加入上步合成的硫化镉纳米微球，通过水热法得到硫化镉纳米微球表面负载硫化镍量子点的复合光催化剂。其中，通过控制硫化镍量子点原料的加入量，合成不同镍镉比的硫化镉/硫化镍复合材料（记为CdS/NiS₂）。复合材料的合成实现了光生载流子的有效分离和迁移，并且改善了光催化剂的光稳定性，从而获得了优异的光催化性能。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术及绿色能源应用领域，具体涉及负载型硫化镍量子点基复合材料的制备方法及其在光催化产氢中的应用。

背景技术

化石能源的枯竭及其对环境的污染已经引起了世界各国的广泛关注，寻求清洁能源来替代传统的化石能源已经成为亟待解决的问题。随着太阳能转化氢能技术的不断发展，且氢能无污染、能量密度高，太阳能取之不尽、用之不竭，通过不使用贵金属来开发高效低成本的太阳能制氢光催化剂，成为人们努力的目标及方向，但到目前为止仍然是一个巨大的挑战。尤其是金属硫化物，由于其在电解水过程中优越的电催化作用，被认为是适用于可见光催化的理想选择。其中，窄禁带宽度为2.4 eV的n型半导体CdS，由于其在可见光下的高活性和足够负的平带电位使H⁺ 还原为H₂，是非常有吸引力的光催化析氢材料。然而由于严重的电荷载流子复合和光腐蚀，原始的CdS光催化活性仍不理想，亟待提高。硫化镍由地球存量丰富的元素组成，是一种具有极大应用前景的助催化剂材料，引起了人们的广泛关注。基于硫化镍量子点的复合光催化剂可以富集光生电子和空穴、能降低反应的活化能和过电势、促进还原或氧化反应的进行、能够在助催化剂/半导体的界面促进电子和空穴的分离，并且能有效抑制光腐蚀的发生。因此基于量子点尺度的硫化镍基复合材料不仅有利于光生电子的快速矢量扩散，而且可以通过降低质子还原的热力学过电位来促进H₂的生成，使得复合催化剂的光催化性能得到显著改善。

发明内容

本发明的目的是提供一例基于硫化镍量子点的复合光催化剂的制备方法，并将其应用于光催化产氢。通过硫化镍量子点的协同作用，扩大可见光吸收，提高电荷载流子的分离和运输效率，并减少用于水的能量势垒，从而提高硫化镉的光催化性能。此外，该复合光催化剂制备方法简单，且相对稳定，具有优异的光催化析氢活性。

本发明以硫化镉和硫化镍量子点为候选材料，合成了一系列不同比例的CdS/NiS₂纳米复合材料。

为实现上述目的，本发现采用的技术方案为：

本实验采用两步水热方法得到CdS/NiS₂复合纳米材料。首先通过一步水热法合成金属硫化物CdS，随后采用种子介导的温和水热处理，将CdS纳米微球加入到NiS₂量子点的合成条件下，通过水热法将NiS₂量子点生长在CdS微球表面，从而得到新型CdS/NiS₂复合光催化剂，其中，理论硫化镍负载量为12.5 mol% - 42 mol%。

本发明所述的具有优异光催化产氢性能的CdS/NiS₂纳米复合材料的制备方法包括以下几个步骤：

（1）称取二水合醋酸镉和硫脲分散于水中，搅拌至完全溶解，转移至50 mL的

聚四氟乙烯反应釜内衬中，加盖密封加热12-48 h，产物高速离心后取上清液，收集以备后用，且硫化镉为足球状纳米微球，尺寸约为150-200nm。

（2）称取步骤（1）中得到的CdS粉末分散于水中，超声得均匀悬浮液，分称

取六水合氯化镍、柠檬酸钠和硫脲（三者摩尔比为1：1：2-5），用25%-28%的氨水将上述溶液pH调至10-12，继续搅拌至均匀。