[发明专利]一种CdS/金属有机框架复合光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种CdS/金属有机框架复合光催化材料及其制备方法和应用，复合光催化材料由金属有机框架修饰在CdS纳米粒子表面构成。复合催化材料的制备方法为：先通过溶剂热法合成CdS纳米粒子，再通过原位非均相沉积法在CdS纳米粒子表面修饰金属有机框架，即得CdS/金属有机框架复合光催化材料，该CdS/金属有机框架复合光催化材料相对现有的CdS，光电稳定性、光催化还原二氧化碳的转化效率和循环稳定性以及催化选择性均得到明显提高。

技术领域

本发明涉及一种光催化材料，特别涉及一种由金属有机框架修饰在CdS纳米粒子表面构成的CdS/金属有机框架复合光催化材料，以及涉及溶剂热法结合原位非均相沉积法制备CdS/金属有机框架复合光催化材料的方法，还涉及CdS/金属有机框架复合光催化材料在催化还原二氧化碳上的应用，属于光催化材料制备技术领域。

背景技术

光催化反应最早是由日本科学家Fujishima和Honda在1972年发现的，他们利用近紫外光照射TiO₂电极，成功将水分解为氧气和氢气。随着光催化研究的逐渐深入，越来越多的半导体材料被开发出来用于光催化实验，如BiVO₄、Bi₂WO₆、InTaO₄、NaNbO₃、Zn₂GeO₄、C₃N₄、Cu₂O、In₂O₃和钙钛矿等。不同半导体材料因其能带结构和自身特性，光催化效果各有不同，同一半导体材料，通过对其尺寸、形貌和结构的调控，或在其表面修饰复合上其他的材料，可提高其光催化效果。

通过减小纳米材料的尺寸可增大催化剂的比表面积，有助于对反应物吸附能力的增强和反应活性位点的增加，当纳米材料尺寸小到一定程度还会出现量子效应，材料表面空位的调控可以改变半导体表面的电学和化学性质，有利于反应物的吸附和活化，通过调控半导体暴露的晶面可以调节其电子能带结构、表面能、表面活性位点等。此外，还可通过在半导体材料表面修饰复合上其他的材料，提高其光催化性能。在半导体材料表面负载助催化剂，可以与半导体形成肖特基势垒，促进光生载流子的分离与迂移，降低电子空穴对的复合几率。常见的助催化剂有贵金属纳米粒子(Pt、Au、Ag等)和金属氧化物(Cu₂O和RuO₂)等，通过负载助催化剂可以获得更好的导电性和更低的过电位，助催化剂也能影响产物选择性，通过改变助催化剂的种类可以改变产物种类。而在某种半导体材料表面修饰复合上其他半导体材料，可以扩大光吸收范围，提高太阳光利用率，同时促进光生电子空穴的分离与迂移，减少电子空穴对的复合，从而提高光催化效果。

能源危机是目前面临的一个难题，现在我们利用的主要还是化石能源，如石油、煤、天然气等。化石能源历经了数百万年的演变，是不可再生资源，随着现代工业的快速发展，化石能源被不断消耗，储量已经越来越少。21世纪初的调查研究表明，在目前储量和开采速度下，天然气的可开采时间是60年左右，煤炭的是230年左右，石油的是40年左右。另一方面，大量化石能源的燃烧造成二氧化碳(CO₂)等温室气体的过量排放，已经引起了一系列全球性的环境问题，威胁着人类的生存与发展。因此，如果能将过度排放的CO₂转化为一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸和碳酸酯等高附加值的化工产品，不仅可减少人类对化石能源的依赖，还可有效降低大气中CO₂的排放。CO₂的捕集与转化(Carbon Capture and Conversion,CCC)被认为是现阶段降低CO₂排放，提高C1资源利用的有效方法之一。