[发明专利]一种MOF基衍生的复合光催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体为一种g‑C₃N₄/MXene/CuZnIn₂S₄纳米复合光催化剂及其制备方法。CuZnIn₂S₄作为应用比较广泛的光催化剂，可以通过对其形貌进行调控而增加活性位点的暴露数量，从而进一步提高其光催化活性。MOF异质结具有高比表面积和丰富的孔结构，可以解决复杂多相金属与配体的灵活配位问题，为高效光催化剂的构筑提供有利条件。该复合光催化剂的制备方法是，在CuZnIn‑MOF异质结中引入g‑C₃N₄和MXene，硫化后制得目标产物，即g‑C₃N₄/MXene/CuZnIn₂S₄纳米复合光催化剂。本发明的优点是，以MOF为模板制备的CuZnIn₂S₄具有超大的比表面积，为CuZnIn₂S₄与g‑C₃N₄的偶联提供了更多的负载位点，从而增大了活跃位点暴露数目，而MXene的引入可以显著提高载流子的传导能力，从而显著提高了光催化剂的光催化活性。

背景技术

时代的高速发展也给人类社会带来了能源危机，因此，迫切需要大力开发可再生能源。有“未来石油”之称的氢能，其燃烧值高、零污染，已普遍被认为是新世纪缓解能源与环境压力的理想途径之一。在众多氢能开发的手段中，利用太阳能光催化分解水制氢是将太阳能进行光化学转换和储存的最为理想、最有前途的手段之一。

光催化剂是开发利用太阳能必备的半导体材料。在过去的三十多年中，科学家们研究了许多半导体光催化剂的光催化性能，如TiO₂、RuO₂、Fe₂O₃、CdS、ZnS、CuS/ZnS、CuO/SrTiO₃、NiO/SrTiO₃和TiO₂/g-C₃N4等。在众多的半导体光催化剂中，硫化物半导体备受关注，其中CuZnIn₂S₄半导体是实现太阳能到化学能量转换的一种低成本高效益的环保材料。然而，CuZnIn₂S₄半导体的较小的比表面积及其电子-空穴的快速复合限制了其实际应用。

金属有机骨架（MOFs）因其较大的比表面积、均匀的有序孔隙、可调控的结构易于合成而又不含表面活性剂而受到极大关注。目前，以MOFs为前驱体合成了多种纳米结构材料，包括金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物和金属碳化物等。但是，这些纳米材料都是由单一的有机配体合成，而对于复杂多孔的多相金属材料的制备缺乏灵活性。MOFs以其多孔和可控的结构为光催化制氢提供了丰富的反应位点。

作为可见光驱动的光催化剂，具有高光催化活性的石墨氮化碳（g-C₃N₄纳米片）材料受到广泛关注。此外，g-C₃N₄还具有稳定性好、无毒、易合成和窄带隙（2.7eV）等优点。由于g-C₃N₄具有丰富的反应位点，可以通过构造异质结以加速电子-空穴的分离。近年来，关于将g-C₃N₄引入ZnIn₂S₄光催化剂中的工作已有报道。例如，g-C₃N₄/nanocarbon/ZnIn₂S₄纳米复合材料和ZnIn₂S₄/g-C₃N₄异质结光催化剂的合成，而对于g-C₃N₄在可见光催化体系中含量的研究也取得了显著的成果。