[发明专利]一种核壳结构纳米球光催化材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种核壳结构纳米球光催化材料，以SiO₂纳米球为内核，以ZnS/CuS_x的纳米片状结构为外壳，还提供了制备方法，该方法为：将正硅酸乙酯和氨水加入至乙醇中，搅拌混合得到SiO₂纳米球，分散于去离子水中，加入尿素、硝酸铜水溶液和硝酸锌水溶液，在水热反应后，离心、干燥，得到核壳结构初产物，加入硫脲，水热反应后，离心、干燥，得到核壳结构纳米球光催化材料。还提供了核壳结构纳米球光催化材料的应用，用于太阳能分解水制造氢气。本发明通过光子在内核SiO₂纳米球和外壳ZnS/CuS_x不断地反射，提高光能利用率，并且能充分利用可见光的光能催化水分子分解产生氢气，快速析出。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种核壳结构纳米球光催化材料及其制备方法与应用。

背景技术

氢能源是一种具有远大发展前景的清洁能源，对于如何廉价、高效地获取它已经成为世界性的研究热点。而太阳能分解水制氢是一种环保而又廉价的途径，它具有绿色、能耗小、成本低等特点，因此受到了很大程度的关注。

ZnS作为一种重要的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体材料，它在光催化、光电学等领域都有着重要的应用，而纯的硫化锌因禁带宽度较宽只能吸收太阳光中的紫外波段能量，而占太阳光能量的近50％的可见光部分则未能有效利用，这大大限制了它的能量利用率和催化效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种核壳结构纳米球光催化材料及其制备方法，该核壳结构纳米球光催化材料的通过光子在内核SiO₂纳米球和外壳ZnS/CuS_x不断地反射，提高光能利用率，并且能充分利用可见光的光能催化水分子分解产生氢气，快速析出。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种核壳结构纳米球光催化材料，所述核壳结构纳米球光催化材料以SiO₂纳米球为内核，以ZnS/CuS_x的纳米片状结构为外壳。

优选地，所述SiO₂纳米球的直径为200nm～350nm；所述核壳结构纳米球光催化材料的直径为500nm～600nm。

优选地，所述ZnS/CuS_x中Zn元素和Cu元素的摩尔比为0.2:1。

本发明还提供了制备上述的核壳结构纳米球光催化材料的方法，该方法为：

S1、在室温的条件下，将正硅酸乙酯和质量分数为17％的氨水加入至乙醇中，在转速为300r/min～600r/min的条件下搅拌混合1h～5h，得到SiO₂纳米球；所述正硅酸乙酯、氨水和乙醇的体积比为4.2:24:80；

S2、向S1中得到的SiO₂纳米球分散于去离子水中，然后加入尿素、浓度为0.1mol/L的硝酸铜水溶液和浓度为0.1mol/L的硝酸锌水溶液，在温度为100℃～120℃的条件下水热反应6h～10h后，离心后干燥，得到核壳结构初产物；

利用尿素作为沉淀剂以提供碱性环境，在SiO₂纳米球表面生长碱式硅酸锌铜复合物的片状结构，整体形成核壳结构，使得锌、铜离子发生共沉淀反应；

S3、向S2中得到的核壳结构初产物中加入硫脲，在温度为90℃～120℃的条件下水热反应6h～24h后，离心后干燥，得到核壳结构纳米球光催化材料；

S2得到的核壳结构初产物在硫脲作为硫化剂的条件下进行硫化反应，硫离子将碱式硅酸盐中阴离子部分取代形成ZnS/CuS_x，硫化后造成核壳之间存在空间，这种结构带来了高比表面积和丰富的壳层空隙，实现催化剂内水分子的快速浸润和扩散、光生电子和空穴的高效传输和利用以及水分解产生的氢气和氧气的快速析出的功能性特点。