[发明专利]一种纳米硫化锡基光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种纳米硫化锡基光催化剂及其制备方法与应用，所述纳米硫化锡基光催化剂包括：六方相SnS₂纳米片，以及镶嵌在所述六方相SnS₂纳米片中的SnO₂纳米晶粒和硫空位缺陷，且SnO₂纳米晶粒与六方相SnS₂纳米片形成面内SnS₂/SnO₂异质结。

技术领域

本发明涉及一种纳米硫化锡基光催化剂及其制备方法与应用，具体涉及一种高效光生载流子的分离和输运特性的具有硫空位和面内SnS₂/SnO₂异质结的纳米SnS₂基光催化剂及其制备方法和应用，属于新能源环境材料的制备技术领域。

背景技术

在社会高速发展的今天，人类正面临着前所未有的环境污染和能源危机。开发清洁能源，减少温室气体CO₂的排放、以及有机污染物降解，有毒元素的处理已经成为关乎社会可持续发展的重大课题。光催化剂可以利用太阳能实现CO₂的光催化还原(成其他可用的碳形态)，以及有机污染物的光催化降解。利用光催化技术来彻底解决环境污染和能源危机，是我国急需解决的具有共性重大基础研究问题之一。

目前，应用于环境治理和清洁能源的光催化剂研究主要还是停留在TiO₂等光催化剂及其修饰等方面。尽管这些工作卓有成效，然而这些氧化物光催化剂，只能利用太阳光谱的紫外光区(约占据太阳光总能量的5％)，以致在规模化利用太阳能方面还远远不够；针对传统TiO₂等光催化剂存在的问题，作为它们 的替代产品，二维硫化物光催化剂目前研究进展迅速。其中SnS₂基二维硫化物光催化剂研究较为广泛，它们 的突出优势首先是原料易得，制造成本低廉，无毒；再者硫化物的价带通常由S-3p轨道组成，由于S-3p轨道能量高于O- 2p轨道能量，从而保证了相对于氧化物更宽光谱的太阳能吸收；同时，SnS₂价带和导带的能级与光催化有机物降解和Cr⁶⁺还原反应的电势位置相匹配，是新型光催化剂的一个重要的研究方向。然而，SnS₂光催化剂的研究难点在于“光生电子－空穴对如何在材料中存活与有效分离”、“电子或空穴如何在材料中快速转移”。实际上，光催化剂将太阳能转换成化学能的转换过程是通过能量载子进行传递的，通常的能量载子包括光子、电子、声子。光催化的反应过程，实质上就是这些能量载子的吸收、分离、输运的过程，这些相关物理量相互耦合、相互制约，光催化效率就取决于这些互为制约的能量载子之间的协同作用。然而，如何将这些务虚的理论概念与实际的材料设计相结合，这是一个极具挑战性的问题。

光催化剂这些能量载子之间的传递效率，与半导体光催化剂的能带结构密切相关。光催化剂受光激发时，处于基态的价带电子激发到导带，由此产生处于激发态的电子-空穴对，它们很容易通过荧光(光子)或热运动(声子)等复合方式而消耗。若在能带结构中构建一个捕获电子/空穴的亚稳态能级，使得激发态电子/空穴变成亚稳态，就可以延缓光生电子-空穴对的复合时间，有效地减少光生电子-空穴对的复合数量。光生电子-空穴对的有效分离通常需要一定的电势驱动力，才能促进电子和空穴的定向迁移即光生电子-空穴对的分离。若在半导体光催化剂中构建台阶状能带结构，形成类似的内置电场，就可以对高能的载流子产生作用从而诱导电子-空穴对的分离。

现有方法一般是将SnS₂进行水热氧化和空气氧化法，水热反应法所用氧化剂为H₂O₂，但水热条件下采用H₂O₂氧化制备的异质结，其无法产生S空位；选用空气氧化过程，需要高温处理，会导致两个问题：第一，高温氧化多是发生在SnS₂的表面，难以均匀氧化；第二高温氧化过程会导致SnS₂纳米颗粒尺寸增加，降低其光催化活性。

发明内容