[发明专利]一种染料敏化金属硫化物半导体纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合半导体材料制备技术领域，具体涉及一种染料敏化金属硫化物半导体纳米材料的制备方法。

背景技术

半导体光催化材料因在环境清洁以及太阳能有效利用等方面具有潜在的工业应用价值而受到广泛关注。传统的硫化镉（CdS）半导体材料能够在可见光区域下具有良好的响应，但是存在着量子效率低、容易发生光腐蚀等缺点，开发改性CdS材料成为当今光催化研究领域的热点之一。

CanLi等人在ThinSolidFilms.2006，513，99-102中利用水热法制备的ZnS/CdS复合半导体材料，虽然晶粒尺寸可调，但是晶粒的分散不均匀；NarendraM.Gupta等人在Journal of Colloid and Interface Science.2009，333，263-268中利用原位法制备的ZnS/CdS复合半导体材料，虽然在晶粒组成上可以实现组成的可调变性，但是晶粒依旧不能均匀分散。

LDHs化合物是一类阴离子型多功能的层状材料，LDHs化合物主要分为类水滑石（Hydrotalcites-like compounds，简称HTLCs）以及水滑石（Hydrotalcites，简称HT）两大类。插层后的形成的LDHs化合物称为插层LDHs。LDHs化合物具有层板组成和结构的可调变性、碱性、离子交换性、结构记忆效应、热稳定性等特点。因此，利用LDHs化合物作为前驱体，来制备染料敏化金属硫化物半导体纳米材料，可以实现粒子的均匀分散、化学组成可调变、晶粒尺寸可调等优点，并且通过染料的敏化，可以提高材料的光催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种染料敏化金属硫化物半导体纳米材料的制备方法。针对传统的水热法、原位法等所存在的缺点，本发明利用水滑石的层板组成和结构的可调变性以及离子交换性，将复合半导体的金属元素引入水滑石层板上，分别经过硫化还原、碱液刻蚀、以及负载染料等步骤，并且通过调变组成层板的金属元素的摩尔比，制备得到了粒径、组成、带隙值可调变的系列不同Zn/Cd比例的染料敏化多孔ZnCdS半导体纳米材料。

本发明的技术方案是：采用水滑石作为前驱体，将复合半导体的金属元素引入水滑石层板上，然后采用气固原位还原方法用H₂S气体对水滑石进行硫化还原，然后利用强碱溶液对铝氢氧化物的刻蚀作用形成具有介孔结构的金属硫化物半导体，再通过负载的方式将具有敏化作用的曙红Y引入水滑石层板的介孔间，得到了染料敏化金属硫化物半导体纳米材料。

本发明的染料敏化金属硫化物半导体纳米材料的制备步骤如下：

a配制浓度为0.4-3.5mol/L的NaOH或者KOH碱溶液；配制可溶性二价金属硝酸盐、可溶性三价金属硝酸盐以及磺酸盐的混合盐溶液，二价金属离子与三价金属离子浓度之和为0.1-3.0mol/L，其中二价金属离子与三价金属离子摩尔比为2-4，二价金属离子和三价金属离子的摩尔数之和与磺酸盐的摩尔比为0.25-2；

b将步骤a中配制的碱溶液逐滴加入到步骤a中配制的混合盐溶液中，直到体系的pH值达到7.0-10.0，在25-40℃条件下晶化8-20h，用去CO₂水将所得的浆液离心洗涤，在真空条件下干燥，即得到磺酸根插层的水滑石前驱体；

c将b中制备得到的水滑石前驱体置于硫化反应装置中，在80-120℃条件下，与H₂S气体反应5-100min，最后在氮气保护下保留0.5-10h，得到金属硫化物半导体材料；

d配制5-20mol/L的NaOH或者KOH碱溶液10-50ml，对步骤c中所得到的金属硫化物半导体材料0.5-3.0g进行刻蚀，30-70℃条件下反应10-60h，得到具有介孔结构的金属硫化物半导体材料；

e称取0.1-0.6g曙红Y溶于50-120ml无水乙醇中得到曙红Y的乙醇溶液，称取步骤d中制备的介孔结构的金属硫化物半导体材料0.5-3g，将之放入曙红Y的乙醇溶液中，在暗处搅拌反应10-48h，即可得到染料敏化的金属硫化物半导体纳米材料。