[发明专利]一种光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种光催化剂及其制备方法和应用，所述的光催化剂为负载有Pd的ZnIn₂S₄/TiO₂异质结纳米材料；所述的Pd负载于ZnIn₂S₄和/或TiO₂上。采用本发明提供制备方法所制备的光催化剂在模拟太阳光条件下，具有优异的光催化分解水制氢性能，其合成方法简单、无毒，反应条件易控制，原料价廉易得，降低了产品成本，又因其具有稳定的化学性质，催化效率高，拓宽了催化剂的可见光吸收范围，提高了太阳光的利用率，促进了光生电子和空穴的分离，实现高效率的光催化分解水制氢，具有很高的实用价值和应用前景。

技术领域

本发明涉及一种光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

在当今时代，全球经济发展迅速与猛烈，人口数量急剧上升，人类社会对资源的需求越来越大，化石燃料的过度消耗造成的能源短缺和环境问题，引发了我们对生态环境友好、高效、可持续的清洁能源的迫切需求。在可再生能源中，氢气具有清洁、可持续、较高的燃烧热值、高能量密度等诸多优点，被广泛认为是一种理想的能源燃料。在太阳能转换的各种方法中，太阳能驱动的水分解产氢已被认为是一项最有希望实现将取之不尽、用之不竭的太阳能转化为可储存燃料氢能的重要技术。

在金属硫化物光催化剂中，ZnIn₂S₄是一种潜在的环保型、可见光驱动的光催化剂，因其良好的光学特性和合适的带隙(2.2-2.8eV)而受到众多研究者的关注，说明ZnIn₂S₄是一种适用于可见光下光催化析氢的光催化剂。然而，与大多数光催化剂一样，ZnIn₂S₄作为单一半导体光催化剂的电子空穴对快速复合和活性位点的缺乏在一定程度上导致纯ZnIn₂S₄的光催化活性较差。因此，寻找合适的半导体与纯ZnIn₂S₄能级相匹配来解决这些缺陷是提高其光催化制氢能力的关键。

已有文献报道，商用纳米TiO₂(P25)以其低成本、易获得、高稳定性等优点成为研究和应用最多且最具有发展前景的光催化剂之一。但是，TiO₂禁带宽度较大，Eg约为3.2eV，只能吸收387nm以下的紫外光的激发而发生光催化反应，紫外光仅仅占太阳光波段的4％，然而占太阳光波段约40％-50％的太阳光没有得到利用，同时，单个半导体光催化剂的光生载流子复合速率过快，会降低太阳光的利用和光催化效率。ZnIn₂S₄和TiO₂是光催化领域中两种常用半导体，因其能级匹配，结合两者的优点，克服它们各自的缺点，被证明是异质结结构的良好候选材料。

在已有的研究中，研究者对两种主要的异质结(II型，Z-scheme)进行了深入的探索，证明可以提高光催化剂的活性。在II型异质结中，由于带隙能级匹配和载流子的转移，光激发的电子和空穴的氧化还原能力减弱，因此研究者希望可以避开此类型研究。随着研究的深入，研究者们发现直接在两个或多个半导体界面上形成的Z-scheme光催化体系越来越受到关注,因为它保留了每个半导体组分较高的氧化还原电位，不仅提高了光生载流子的分离效率和更高的光催化效率，而且最大限度地提高光催化材料的稳定性和氧化还原能力。