[发明专利]一种硫化铟锌-氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硫化铟锌‑氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化材料及其制备方法和应用。该复合光催化材料包括三维的氮掺杂石墨烯泡沫和垂直布设在氮掺杂石墨烯泡沫表面的二维硫化铟锌纳米片。其制备为：聚氨酯海绵亲水处理后，浸泡在氧化石墨烯悬浮液，干燥后煅烧，通过O₂等离子清洗即得三维氮掺杂石墨烯泡沫；然后与无机锌盐、无机铟盐和含硫有机物混合后进行水热反应，后处理即得硫化铟锌‑氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化材料。该复合材料在模拟太阳光的照射下表现出优异的光催化活性，同时具有足够的紫外‑可见‑近红外光光热转换效率，增强了对太阳光的利用效率，用于光催化还原二氧化碳催化效果好。

技术领域

本发明涉及光催化材料合成技术领域，具体涉及一种硫化铟锌-氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，能源与环境问题是目前两大亟需解决的世界难题。自从1972年Fujishima和Honda在TiO₂电极上实现了光电催化分解水产氢和产氧以来(A.Fujishima,K.Honda,Nature 1972,238,37.)，这种可以直接将太阳能转变为化学能的技术受到了广泛的关注。而以半导体为催化剂的光催化过程具有可直接利用太阳光、条件温和、反应速度快、无二次污染等优越性能，被视为一种理想的解决能源与环境问题的有效手段，受到科研工作者广泛的关注。在众多的半导体光催化剂中，TiO₂、ZnO、WO₃等宽带隙和Ag₃PO₄、Bi₂WO₆等中间带隙半导体因其优异的光催化活性和稳定性而备受青睐。然而，这些半导体对光的利用效率远远低于预期以及工业应用要求，因此限制了这些半导体材料的大规模应用于推广，这迫使人们越来越关注从紫外(UV)到近红外(NIR)区域的宽光谱吸收的光催化剂的开发。近期，研究发现硫化铟锌拥有可调控的能带结构和带隙，是一种很有潜力的宽光谱吸收的光催化剂。目前，很多研究小组成功合成出硫化铟锌光催化剂，并研究其光催化活性(如：L.Shi,P.Q.Yin,Y.M.Dai,Langmuir 2013,29,12818-12822；S.Adhikari,A.V.Charanpahari,G.Madras,ACS Omega 2017,2,6926-6938；J.G.Wang,Y.J.Chen,W.Zhou,G.H.Tian,Y.T.Xiao,H.Y.Fu,H.G.Fu,ACS Omega 2017,2,6926-6938)，然而，单一的硫化铟锌半导体材料光生载流子复合效率高、对光的利用率低，导致催化活性较低。因此，需要对其进行改性，增强其对太阳光的利用效率，提高光催化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硫化铟锌-氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化材料及其制备方法和应用。该复合材料在模拟太阳光的照射下表现出优异的光催化活性，同时具有足够的紫外-可见-近红外光光热转换效率，增强了对太阳光的利用效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

提供一种硫化铟锌-氮掺杂石墨烯复合光催化材料，它包括三维的氮掺杂石墨烯泡沫和垂直布设在氮掺杂石墨烯泡沫表面的二维硫化铟锌纳米片，其中硫化铟锌纳米片与氮掺杂石墨烯泡沫形成二维/三维异质结，三维氮掺杂石墨烯泡沫中存在多孔结构，硫化铟锌为六方相。

按上述方案，所述氮掺杂石墨烯泡沫与硫化铟锌质量比为0.1～25：100。

按上述方案，硫化铟锌纳米片厚度为5-20nm，多孔结构孔径为0.1-1mm。

本发明还提供了上述硫化铟锌-氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化材料的制备方法，其步骤如下：

1)聚氨酯海绵亲水处理：将除杂预处理后的聚氨酯海绵表面通过紫外照射进行亲水处理；