[发明专利]一种制备钨酸锌-硫化镉异质结光催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，尤其是涉及一种制备钨酸锌-硫化镉异质结光催化剂的方法。

背景技术

近几十年来，随着全球能源需求的持续增长，寻找新能源的研究越来越受到人们的关注。氢能，它作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，因此受到了各国的高度重视。工业制氢通常采用天燃气蒸汽转化过程等不环保经济的方法。光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO₂单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。此后，人们越来越关注制备新型的光催化剂，兴起了以光催化方法分解水制氢(简称光解水)的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展，并相继得到一些可见光响应的光催化剂，如CaTiO₃，SrTiO₃，PbWO₄，β-Ge₃N₄，La-doped NaTaO₃，Zn doped In(OH)_yS_z，BiTa_1-xCu_xO₄(x＝0.00～0.04)固溶体等。为了提高光催化剂的光生电子-空穴对的分离和氢气的析出，往往需要使用基于铂、钌和钯等贵金属基单质或化合物作为助催化剂来提高其光解水产氢的效率。将能带结构匹配的两种半导体材料制成异质结结构可以有效的提高光生电子-空穴对的分离效率并提高其光解水制氢性能，如将p型半导体与n型半导体复合形成p-n结型光催化剂。近年来交错式n-n型半导体(在形成异质结的两种n型半导体材料中，其中一种n型材料的导电和价带位置均低于另一种n型半导体材料，图1a)由于可以有效地实现光生电子和空穴对的分离，同时电子富集在导带更负(空穴富集在价带更正)的半导体上有利于电子向活性物质传递，这使得材料的光催化活性得到明显提高，并受到广泛关注，如ZnO-CdS、Bi₂S₃-BiO₂CO₃等光催化剂。但是因为在嵌套式n-n型异质结(异质结中窄禁带材料的导带和价带位置位于宽禁带材料的导带和价带之间，图1b)中窄禁带电子不能注入宽禁带半导体，被认为不能实现光生电子-空穴对的分离而被忽视。我们发现：如果有选择性的只激发窄禁带半导体材料，其光生电子会在自建场的作用下集中在两种半导体材料的界面处，而这些电子也是具有光催化活性的；同时引入空穴牺牲剂可有效地将窄禁带材料本体富集的空穴消耗，进而保持光生电子-空穴对的持续分离。

CdS作为一种重要的半导体，被广泛研究，并有研究证明其可作为光解水制氢的光催化剂，通过光照含有光牺牲剂SO₃^2-和S^2-的水溶液，产生氢气，并且其隙带较窄可以吸收可见光区的能量，对光的吸收和利用率较高。但是单纯的CdS光生电子和空穴对的分离效率低，会发生光腐蚀效应。而ZnWO₄为一种较为稳定的宽禁带，其能带位置也符合光催化分解水制氢的要求；但是ZnWO₄的隙带较宽所以其只能吸收紫外光的能量，仅占总能量的3％～5％，这很大程度上限制了其在光催化方面的广泛应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备高效光催化剂CdS-ZnWO₄异质结纳米棒的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种制备钨酸锌-硫化镉异质结光催化剂的方法，采用以下步骤：

(1)将镉盐和硫源分别溶于水中，得到浓度为0.001-1mol·l^-1的镉盐和硫源的水溶液；

(2)将钨酸锌分散到镉盐的水溶液中，然后向其中缓慢滴加硫源的水溶液，钨酸锌、镉盐、硫源的质量比为7∶200∶10-120，硫源的水溶液滴加结束后，再持续搅拌2h，离心分离后得到沉淀，经去离子水和95％乙醇洗涤几次后，烘干得到CdS-ZnWO₄异质结。

优选的，镉盐的水溶液的浓度为0.1摩尔每升，硫源的水溶液的浓度为0.1摩尔每升。