[发明专利]一种新型键合硫铟锌/铌酸异质结光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种新型键合硫铟锌/铌酸异质结光催化剂及其制备与应用。所述复合材料的制备以K₂CO₃、Nb₂O₅、TBAOH为原料，利用酸碱中和插层剥离的方法制备得到超薄HNb₃O₈纳米片；并以HNb₃O₈纳米片为模板，向体系中加入ZnCl₂、InCl₃·4H₂O、CH₃CSNH₂前驱体，一步水热法成功实现ZnIn₂S₄在HNb₃O₈表面的原位生长，形成通过S‑Nb共价键相连的2D/2D ZnIn₂S₄/HNb₃O₈平面异质结。制备得到的材料具有大的接触界面积，为光生载流子的迁移和分离提供足够多的通道；此外，各组分在“结”区域要形成足够紧密S‑Nb化学键连接充分降低载流子界面传输阻力，进而表现出优异的光催化产氢性能。

技术领域

本发明属于材料制备及可再生清洁能源利用技术领域，具体涉及一种新型键合2D/2D ZnIn₂S₄/HNb₃O₈异质结材料的制备与光催化分解水产氢应用。

背景技术

氢能作为一种新型的清洁能源对解决日益严峻的环境污染问题具有广阔的应用前景。光催化制氢技术可直接利用太阳光在光催化剂存在的条件下分解水制氢受到研究者们的广泛关注。但目前所报道的光催化制氢效率都不高，这主要归因于光生载流子的复合率高。因此，进一步提高光生电子的利用率是光催化制氢领域的关键难点。

在众多的改性方法中，将两种或多种半导体复合形成异质结是一种有效的促进光生载流子分离的方法。相比于单一组分的材料而言，异质结在界面处形成的内建电场不但可以有效抑制光生电子与光生空穴的复合，还可以指导光生电子或空穴的定向移动以保证催化活性位点有足够的载流子用于发生还原或氧化反应。如专利CN110665528A报道了通过在g-C₃N₄纳米片表面原位生长一层ZnIn₂S₄纳米片，制备了2D/2D g-C₃N₄/ZnIn₂S₄复合光催化剂，且异质结高的电子空穴分离效率导致其相比于单纯的g-C₃N₄表现出更优异的光催化产氢性能。专利CN110961133A报道利用煅烧合成法将一步烧制出的BCN纳米片与g-C₃N₄二次煅烧，使BCN纳米片复合到g-C₃N₄表面，形成结构稳定的BCN/g-C₃N₄范德华异质结光催化剂，相比于单一的g-C₃N₄具有更好的活性和稳定性。以上结果表明异质结的构建对于提高光催化性能性质行之有效。但对于设计制备高效的异质结材料，组分间能带结构匹配和紧密的界面接触是必须考虑的两个基本要素。其中，能带结构匹配为界面处电荷的迁移与分离提供动力；紧密的界面接触可保证稳定且良好的异质结界面的形成。以上专利中所报道的异质结材料仅考虑到各组分能带结构的匹配，而对于界面调控则鲜有考察。组分间是通过化学键相互作用还是简单的机械混合无法确定，导致难以对其界面匹配度进行考察。如果组分间界面作用力不强，则会导致复合材料在“结”区域缺陷多，不利于界面间的电荷传递，难以真正制备出性能优异的异质结。因此，开发具有强的界面作用力的异质结材料对于开发更高效的光催化产氢催化剂意义重大。