[发明专利]过渡金属元素掺杂及具有硫空位的硫化镉负载过渡金属磷化物光催化材料及其制备方法

说明书

本发明属于纳米复合材料和光催化技术领域，具体公开了一种过渡金属元素掺杂及具有硫空位的硫化镉负载过渡金属磷化物光催化材料及其制备方法。本发明以二水合乙酸镉、硫脲、过渡金属盐、硼氢化钠、次磷酸钠和水合肼为原料，具体采用两步热处理法和化学还原法制备出渡金属元素掺杂及具有硫空位的硫化镉负载过渡金属磷化物。本发明所述的制备方法、工艺简单、反应条件温和；原料及设备廉价易得，成本低；合成时间短、效率高。可以有效提高材料中光生电荷迁移性能、降低光生电荷复合率、增强复合材料结构稳定性并提升光催化性能。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料和光催化技术领域，尤其涉及一种过渡金属元素掺杂及具有硫空位的硫化镉负载过渡金属磷化物光催化材料及其制备方法。

背景技术

近年来，人类面临着越发严重的能源危机问题和全球污染问题。1972年，科研工作者研发出了一种新型且很有前景的能解决能源和污染问题的新技术-半导体光催化技术。Fujishima和Honda发现了一种半导体(TiO₂)光催化剂，可以将太阳能转化为清洁的氢能。在过去的十几年中，TiO₂基半导体光催化剂被认为是光解水的最佳光催化剂之一。但是，TiO₂较宽的带隙结构限制了其对光的吸收，使其只能被紫外光激发。因此，研发具有可见光响应性的、高效的光催化剂是当前研究的热点之一。在半导体材料中，CdS在可见光光催化产氢领域引起了广泛关注。这要归因于CdS具有2.4eV的窄带隙结构以及合适的CB位置。然而，CdS半导体光催化剂的应用主要受到高光生电荷复合率、低电荷迁移能力和固有光腐蚀特性的限制。目前，科研工作者研发了一系列(导带)CdS基材料用于克服这些缺点，例如：为CdS研发高效的助催化剂和元素掺杂剂。其中，贵金属(例如：Pt、Pd和Ru等)由于具有较高的功函数使其具备优异的电子捕获能力，被公认为是光催化产氢的最佳助催化剂之一。但是，经济因素和环境因素限制了它们的大规模应用。因此，利用地球丰富存在的过渡金属来修饰改性CdS，使其具有优良的光催化产氢性能是一种有前景的方法。

目前，大量的研究工作都致力于设计、使用地球中丰富存在的过渡金属(如：镍、钴、钼)作为助催化材料和掺杂剂与CdS结合以期待提高其光催化产氢性能。一方面，过渡金属助催化剂与CdS的结合可以起到电子陷阱的作用，降低光生电荷复合效率、提升光生电荷的迁移效率并暴露出更多的活性位点，提高光催化析氢性能。其中，在活性氢化酶[NiFe]的研发结果公布后，激发了科研工作者对Ni基助催化剂的研究热情。例如：Ni、NiSX和Ni(OH)₂。另一方面，适当的过渡金属元素掺杂也是改善CdS电子结构和提高其催化活性的有效途径。在CdS晶格中掺杂Ni元素可以起到缩减禁带宽度、增强电荷迁移能力和提高可见光吸收能力的作用。因此，将CdS与Ni元素结合是研发高效、低成本复合光催化剂的有效途径之一。

磷化镍(Ni₂P)是一种典型的过渡金属磷化物，它具有与金属导体特性相似的性质。因此，Ni₂P已经广泛应用为一种高效的电催化剂。根据研究表明，电催化剂可以作为高效的助催化剂来加速半导体的光催化产氢速率。目前，Ni₂P材料应用到半导体光催化技术中已经引起了广泛的关注。Du等人使用Ni₂P作为助催化剂，与一维CdS纳米棒结合，这极大地促进了电子空穴对的分离，增强了电荷迁移性能，提高了光催化产氢速率。Wang等人采用原位生长法在CdS纳米棒上生长纳米Ni₂P。由于超细Ni₂P与CdS纳米棒之间的紧密结构，增强了光生电荷的迁移性能，提升了光催化性能。然而，同时构筑Ni离子掺杂和Ni₂P负载改性CdS却鲜有研究。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种过渡金属元素掺杂及具有硫空位的硫化镉负载过渡金属磷化物光催化材料及其制备方法，实现了同时构筑Ni离子掺杂和Ni₂P负载改性具有硫空位的CdS，不仅提高了材料结构的稳定性还增强了光催化产氢性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：