[发明专利]一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂的制备领域，具体涉及一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法。

背景技术

随着社会的发展，能源问题和环境问题逐渐成为本世纪人类面临的两大难题。以半导体光催化技术为基础的光解水制氢和环境整治被看作是解决上述两大难题最有前途的方法。在众多的半导体光催化材料中，氧化钛由于其价格低廉、无毒、易于处理、稳定性好而被广泛研究。然而，氧化钛作为半导体光催化剂具有两方面的致命的缺陷：一方面，较宽的禁带宽度使得氧化钛光催化剂只对紫外光有响应，而在太阳光中紫外部分所占不到5％，因而氧化钛光催化剂对太阳能的利用率较低；另一方面，光生电子-空穴的高复合率使得氧化钛光催化剂的量子化效率低下，进一步限制了氧化钛光催化剂的光能利用率。

大量的研究表明，窄带隙半导体敏化的半导体-半导体复合材料是克服上述缺点的最有效方法。其中，硫化镉由于具有合适的带隙宽度在对氧化钛材料的修饰改性中最为常用。硫化镉的禁带宽度约为2.4eV，使得硫化镉修饰的氧化钛材料具有可见光活性，此外，与氧化钛相比，硫化镉的导带电势更负，因此，在可见光激发下，光生电子从硫化镉导带转移至氧化钛导带上，而空穴依旧保留在硫化镉价带，使得光生电子-空穴有效分离，在实现可见光响应的同时促进了光子利用率，从而有效提高太阳能的利用率。

公开号为CN 101323718A的中国发明专利申请公开了一种可分解油烟的硫化镉改性纳米二氧化钛涂料的合成方法；公开号为CN 101026199A的中国发明专利申请公开了一种制备硫化镉量子点敏化多孔二氧化钛光电极的方法。这两种方法都是将硫化镉负载到氧化钛表面，从而有效提高氧化钛材料的可见光催化活性。但是上述表面负载的复合材料由于相互间作用力较弱，硫化镉易从氧化钛表面脱落下来，在降低光催化活性的同时也容易造成二次污染。

公开号为CN 101112682A的中国发明专利申请公开了一种制备硫化镉嵌入二氧化钛线管材中的新方法。该方法克服了硫化镉易脱落的不足，使催化剂的稳定性大大提高。但是在离子交换过程中，需要大量镉离子，易造成镉源的浪费。同时，二价镉离子作为重金属离子本身易导致环境污染并危害人体健康，因此该方法不利于大规模推广使用。

公开号为CN 101786005A的中国专利申请公开了一种硫化镉-二氧化钛纳米管复合催化剂的制备方法，取锐钛型TiO₂纳米颗粒置于反应釜中，加入去离子水，搅拌，再加入CdCl₂·2.5H₂O的水溶液和Na₂S·9H₂O的水溶液，混合，再加入NaOH，超声振荡，微波加热，静置，洗涤直至洗液的pH为7，抽滤，真空干燥即得到CdS-TiO₂纳米管复合催化剂。从该技术方案提供的附图中可以看出，硫化镉粒子并不是在氧化钛纳米管的管壁中或空腔内生成，且硫化镉粒子不均匀地分布于氧化钛纳米管间，这都不利于最大限度地提高复合材料的光催化活性，在实际应用中该催化剂的光催化活性的效果有限。

另外，Fu等(Chem.Eng.J.2011，180，330-336)和Kim等(Adv.Funct.Mater.2011，21，3111-3118)采用剥离-重组装的方法制备了有机物修饰的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化材料。上述方法克服了离子交换法的不足，但是由于制备过程中对硫化镉进行表面修饰，所得复合材料中硫化镉和氧化钛纳米片之间存在有机物质，不利于光生电子的转移，从而导致光催化活性低下。

发明内容

本发明提供了一种制备简单、环保、廉价的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法，通过在氧化钛纳米片层间嵌入硫化镉，扩展其吸收光谱至可见光区域，实现可见光响应的目的，能够提高催化剂对太阳能的利用率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法，包括：将表面带负电荷的氧化钛纳米片与二价镉离子静电自组装得到金属镉离子插层的层状相；将金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺反应得到硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。

作为优选，所述的表面带负电荷的氧化钛纳米片通过层状质子化钛酸盐以乙胺为剥离试剂剥离后制备。以廉价易得的乙胺作为层状质子化钛酸盐的剥离试剂，将层状质子化钛酸盐剥离成单分子片层结构，制备获得含表面带负电荷的具有二维单分子片层结构的氧化钛纳米片的悬浮液。