本發(fā)明涉及光催化析氫領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、太陽能驅(qū)動(dòng)的水分解反應(yīng)，作為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)氫能源生產(chǎn)的前沿途徑，在當(dāng)前能源研究領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。在此過程中，光催化劑發(fā)揮著核心作用，其性能參數(shù)，包括光吸收效率、載流子遷移特性以及催化活性位點(diǎn)等，對(duì)光催化析氫過程中的能量轉(zhuǎn)化效率與經(jīng)濟(jì)成本起著決定性影響。為達(dá)成太陽能至氫能的高效、低成本轉(zhuǎn)化，科研工作者致力于開發(fā)具備優(yōu)異光催化性能的材料體系，此類材料需具備高效捕獲太陽能光子，并將其能量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)水分解反應(yīng)的化學(xué)能的能力。因此，高性能光催化劑的設(shè)計(jì)與合成，構(gòu)成了太陽能光催化水析氫技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。
2、硫化鋅鎘固溶體作為一類無機(jī)半導(dǎo)體材料，因其具有匹配太陽能光譜的適宜帶隙結(jié)構(gòu)和較高的光吸收系數(shù)，在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，受到廣泛關(guān)注。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，硫化鋅鎘固溶體暴露出一系列亟待解決的關(guān)鍵問題。首先，其對(duì)可見光波段的光譜響應(yīng)范圍相對(duì)較窄，導(dǎo)致對(duì)太陽輻射中可見光能量的利用效率較低，無法充分挖掘太陽能資源的潛力。其次，光生載流子在硫化鋅鎘內(nèi)部及表面的分離效率不理想，大量光生電子-空穴對(duì)在未參與水分解反應(yīng)之前便發(fā)生復(fù)合，嚴(yán)重制約了光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，降低了光催化產(chǎn)氫效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服上述中硫化鋅鎘固溶體對(duì)可見光能量利用效率低和光生載流子分離效率不理想等問題，為此本發(fā)明提供了一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的制備。
2、本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
3、一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的制備，其制備方法包括以下步驟：
4、(1)稱取0.22g的醋酸鋅、0.91g的氯化鎘、0.38g的硫脲以及0.45g的聚乙烯吡咯烷酮，將其一同加入到36ml去離子水中，在室溫環(huán)境下，以穩(wěn)定的攪拌速度持續(xù)攪拌15分鐘，使各原料充分溶解并混合均勻，形成均一的反應(yīng)溶液；
5、(2)將上述充分?jǐn)嚢韬蟮娜芤哼M(jìn)行超聲處理，超聲時(shí)間設(shè)定為20分鐘，以進(jìn)一步促進(jìn)分子間的分散和混合，增強(qiáng)反應(yīng)體系的均勻性，超聲完成后，將溶液平均分成三份，分別轉(zhuǎn)移至三個(gè)20ml的反應(yīng)釜中，確保各反應(yīng)釜中的反應(yīng)物量一致；
6、(3)將裝有反應(yīng)溶液的反應(yīng)釜放入設(shè)定溫度為220℃的鼓風(fēng)干燥箱中，保持該溫度24個(gè)小時(shí)，使反應(yīng)充分進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后，讓樣品自然冷卻至室溫狀態(tài)，以避免溫度驟變對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；
7、(4)冷卻后的樣品依次用去離子水和無水乙醇分別洗滌三次，以去除樣品表面可能殘留的雜質(zhì)和未反應(yīng)的原料，洗滌完成后，通過離心操作收集沉淀，最終得到橙黃色的沉淀產(chǎn)物，將該沉淀產(chǎn)物置于溫度為60℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥24小時(shí)，以去除其中的水分，最終獲得具有特定組成的硫化鋅鎘固溶體光催化劑材料。
8、上述應(yīng)用方法如下：取5mg硫化鋅鎘，加入至20ml含0.25摩爾的亞硫酸鈉和0.35摩爾的硫化鈉混合物的去離子水中，超聲處理后，形成均勻懸浮液后，轉(zhuǎn)移至30ml反應(yīng)器中，隨即采用真空泵排出反應(yīng)器內(nèi)空氣，同時(shí)開啟冷卻水與攪拌器，檢查并確保裝置氣密性良好，將配備截止濾光片的500w氙燈置于反應(yīng)器側(cè)方，開始光照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，每間隔1小時(shí)從反應(yīng)器內(nèi)抽取200μl氣體，注入gc9800型氣相色譜儀測(cè)定氫氣含量并記錄，結(jié)果顯示，該水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的產(chǎn)氫速率可達(dá)8.52mmol?g-1h-1，此外，對(duì)該催化劑進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)30小時(shí)、共計(jì)5次的連續(xù)循環(huán)測(cè)試，在5次循環(huán)過程中，催化劑展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，其光催化產(chǎn)氫性能在循環(huán)測(cè)試后無明顯衰減，為其實(shí)際應(yīng)用提供了有力的穩(wěn)定性保障。
9、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：
10、本發(fā)明的一步水熱法極大簡(jiǎn)化了制備過程，所有反應(yīng)在同一反應(yīng)釜中完成，減少了中間環(huán)節(jié)可能引入的雜質(zhì)，通過精準(zhǔn)調(diào)變鋅離子與鎘離子的摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及聚乙烯吡咯烷酮的添加質(zhì)量等反應(yīng)條件，能夠有針對(duì)性地制備出特定形貌與組成的硫化鋅鎘固溶體，實(shí)現(xiàn)了高度的制備可控性，在材料性能方面，現(xiàn)有技術(shù)制備的硫化鋅和硫化鎘單一材料，在光催化性能上存在諸多局限，如光生載流子復(fù)合嚴(yán)重、禁帶寬度不理想等問題，本發(fā)明制備的硫化鋅鎘固溶體，憑借其獨(dú)特的水仙花形貌以及鋅離子和鎘離子之間的協(xié)同作用，在多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破，固體紫外-可見光漫反射光譜顯示其最大吸收邊緣位于600nm處，可以增強(qiáng)對(duì)光子能量的吸收能力；光致發(fā)光光譜表明硫化鋅鎘相對(duì)于硫化鋅和硫化鎘具有更低的熒光強(qiáng)度，使其光生電子可以更快速的遷移，促進(jìn)了光生電子與空穴的有效分離；光電流響應(yīng)測(cè)試顯示硫化鋅鎘相對(duì)于硫化鋅和硫化鎘具有更高的瞬態(tài)光電流強(qiáng)度，這使其具有抑制光生電子與空穴復(fù)合的能力，提高了光生電子-空穴對(duì)的分離效率，本發(fā)明的硫化鋅鎘固溶體因其水仙花形貌展現(xiàn)出3.16m2?g-1的比表面積，較大的比表面積可以加速反應(yīng)物的吸附，提高反應(yīng)速率，在可見光下的產(chǎn)氫速率達(dá)到了8.52mmol?g-1h-1，且在多次循環(huán)測(cè)試中，該催化劑仍能保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和催化活性，本發(fā)明的一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑應(yīng)用于光催化水制氫領(lǐng)域。
1.一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的制備，其制備方法包括以下步驟：
2.權(quán)利要求1所述的制備方法制備的一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的應(yīng)用，其特征在于，一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑應(yīng)用于光催化水制氫領(lǐng)域。
3.權(quán)利要求1所述的一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的制備，其特征在于步驟1中所述的稱取0.22g的醋酸鋅、0.91g的氯化鎘、0.38g的硫脲以及0.45g的聚乙烯吡咯烷酮。
4.權(quán)利要求1所述的一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的制備，其特征在于步驟2中所述的超聲時(shí)間設(shè)定為20分鐘。
5.權(quán)利要求1所述的一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的制備，其特征在于步驟3中所述的設(shè)定溫度為220℃的鼓風(fēng)干燥箱。
6.權(quán)利要求1所述的一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的制備，其特征在于步驟4中所述的60℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥24小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的應(yīng)用，其特征在于，應(yīng)用方法如下：取5mg硫化鋅鎘，加入至20ml含0.25摩爾的亞硫酸鈉和0.35摩爾的硫化鈉混合物的去離子水中，超聲處理后，形成均勻懸浮液后，轉(zhuǎn)移至30ml反應(yīng)器中，隨即采用真空泵排出反應(yīng)器內(nèi)空氣，同時(shí)開啟冷卻水與攪拌器，檢查并確保裝置氣密性良好，將配備截止濾光片的500w氙燈置于反應(yīng)器側(cè)方，開始光照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，每間隔1小時(shí)從反應(yīng)器內(nèi)抽取200μl氣體，注入gc9800型氣相色譜儀測(cè)定氫氣含量并記錄，結(jié)果顯示，該水仙花狀硫化鋅鎘固溶體光催化劑的產(chǎn)氫速率可達(dá)8.52mmol?g-1h-1，此外，對(duì)該催化劑進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)30小時(shí)、共計(jì)5次的連續(xù)循環(huán)測(cè)試，在5次循環(huán)過程中，催化劑展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，其光催化產(chǎn)氫性能在循環(huán)測(cè)試后無明顯衰減，為其實(shí)際應(yīng)用提供了有力的穩(wěn)定性保障。