一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料及其制备方法，采用溶胶-水热法制备氧化锌纳米棒，再结合连续式离子沉积法，在所述氧化锌纳米棒表面沉积CdS量子点，涉及的方法简单而且副反应少，量子点担载量可控；且通过重复ZnO纳米棒阵列的生成和CdS量子点的沉积步骤，可实现氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的制备，有效提高量子点的负载率。本发明专利技术所述硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料可有效控制量子点担载量，解决光催化材料存在的光生载流子复合几率高、表面活性位点少等问题；多层纳米棒结构会对太阳光有折射作用，有助于提高对光能的利用率；且涉及的制备方法简单，适合推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源材料制造
，具体涉及一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料及其制备方法。
技术介绍
能源是人类生存和发展的重要物质基础，而随着化石能源开采的不断进行，全球化石能源枯竭是不避免的。因此开发洁净的可再生能源是世界各国所面临的重大问题。氢是宇宙中最丰富的元素，作为高效的二次能源，对环境无污染，而且氢气绝大部分来自水蒸气重整而获得，因此光催化分解水制氢技术被认为是化学的“圣杯”。太阳光是取之不尽的，利用光催化获得氢气，作为能源使用后又回到了水的形态，是一种完全可持续开发和利用。目前在光催化剂的合成、改性等方面取得了较大的进展。而其中的ZnO作为一种重要的半导体具有来源广，价格低廉，安全环保，较高的电子传输速率等优点。但是ZnO的光生载流子复合几率高，表面活性位点少，对可见光的利用率低等缺点，使其在太阳能利用率方面较低，限制了其在光催化方面的应用。如果在ZnO纳米棒阵列上沉积CdS量子点，最终制得硫化镉氧化锌核壳多层纳米棒阵列，就可以在很大程度上解决上述问题。基于一维硫化镉氧化锌核壳多层纳米棒阵列，在保持底层纳米棒的优良传输特性的基础上，通过复合拥有更大的比表面积，增加了量子点的吸附量，同时也提高入射光的吸收效率，CdS量子点的加入可以扩宽光的吸收到可见光区，并且在所形成的界面上光生载流子更容易分离，使得在所形成的界面中表面态大大减少，有利于减少光生电子和空穴的复合。目前报道的研究中多在氧化锌复合结构表面沉积量子点，SeungHwanKo等[KoSH,LeeD,KangHW,etal.Nanoletters,2011,11(2):666-671]，Xu等[XuF,DaiM,LuY,etal.TheJournalofPhysicalChemistryC,2010,114(6):2776-2782]都是采用两步水热法合成纳米复合结构，然后再沉积量子点的工艺；存在工艺繁琐、且量子点沉积量少、光催化性能不佳的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料及其制备方法，所述硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料可有效控制量子点担载量，解决光催化材料存在的光生载流子复合几率高、表面活性位点少和对可见光利用率低等问题，且涉及的制备方法简单，适合推广应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的制备方法，它包括以下步骤：1)称取原料：将醋酸锌、乙醇胺和乙二醇甲醚混合均匀，置于45～60℃油浴锅中反应30～40min，然后进行陈化得ZnO溶胶；2)将步骤1)所得ZnO溶胶采用台式匀胶机旋涂至干净的FTO玻璃片上；3)将步骤2)中均匀涂有ZnO溶胶的玻璃片放入马弗炉中加热至300～400℃保温10～20min，升温速度为1～5℃/min，然后冷却至室温取出，得ZnO晶种；4)把步骤3)所得ZnO晶种放入氢氧化钠和硝酸锌所配制的混合溶液中，其中Zn(NO3)2和NaOH的摩尔比为1:(8～40)，然后在60～90℃的水浴条件下加热保温90～180min，得ZnO纳米棒阵列；5)对步骤4)所得ZnO纳米棒阵列，采用连续式离子沉积法将其依次置于Cd源溶液、S源溶液和乙醇溶剂中浸泡4～5min，依次重复浸泡6～8次，实现在步骤4)所得ZnO纳米棒阵列表面CdS量子点的沉积，其中Cd源溶液和S源溶液的添加量分别以其引入的Cd2+和S2-为准，Cd2+和S2-的浓度比为1:1；6)重复步骤4)和5)，得所述硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料。上述方案中，所述醋酸锌和乙醇胺的摩尔比1:(1～2)。上述方案中，步骤1)中所述反应时间为30～40min，陈化时间为24～48h。上述方案中，步骤2)中所述旋涂步骤采用先低转速铺展再高转速涂匀的方式，低转速为600r/min，高转速为1300r/min。上述方案中，所述Cd源为硝酸铬，S源为硫氢化钠或硫化钠。上述方案中，所述步骤4)和5)的重复次数为1～2次。根据上述方案制备的硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术所述氧化锌纳米棒的制备方法选用溶胶-水热法，相比较电化学法等合成工艺，纳米棒的生长较稳定，尺寸大小容易控制。2)本专利技术采用的连续式离子沉积法，在ZnO纳米棒表面沉积CdS量子点，方法简单而且副反应少，量子点担载量可控；且通过重复ZnO纳米棒阵列的生成(步骤4)和CdS量子点的沉积步骤(步骤5)，可实现氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的制备，可有效提高量子点的负载率，且多层纳米棒结构会对太阳光有折射作用，有助于提高对光能的利用率。3)本专利技术方法直接以一维硫化镉-氧化锌核壳纳米棒阵列为基底材料进行水热反应即可长出第二层棒，涉及的制备方法简单。4)本专利技术方法制备的硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料相对于目前报道的氧化锌催化剂，对太阳光的利用率提高，光生电子和空穴复合率降低，光催化性能有较大的提高。附图说明图1为本专利技术实施例1步骤4)所制备的ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜图。图2为本专利技术实施例1所制备的步骤5)所制备的单层硫化镉-氧化锌核壳纳米棒阵列的扫描电子显微镜图。图3为本专利技术实施例1所制备的步骤5)所制备的单层硫化镉-氧化锌核壳纳米棒阵列的X射线衍射图谱(XRD)。图4为本专利技术实施例1所制备的步骤5)所制备的单层硫化镉-氧化锌核壳纳米棒阵列的(a)、(b)透射图(TEM)及(c)电子衍射图。图5为本专利技术实施例1所制备的硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的扫描电子显微镜图(SEM)，(a)20000倍，(b)40000倍。图6为本专利技术实施例1所制备的硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的光解水产氢折线图。图7为本专利技术(a)实施例2和(b)实施例3所制备的硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的扫描电子显微镜图(SEM)。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术不仅仅局限于下面的实施例。以下实施例如无具体说明，采用的试剂市售化学试剂或工业产品。实施例1一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料，其制备方法包括以下步骤：1)将0.75molZn(Ac)2(醋酸锌)和0.75molC2H7NO(乙醇胺)分散在50mL乙二醇甲醚中，转移至双口烧瓶中通入惰性气体Ar并不断搅拌，然后置于60℃油浴锅中反应3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫化镉‑氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)称取原料：将醋酸锌、乙醇胺和乙二醇甲醚混合均匀，置于45～60℃油浴锅中反应30～40min，然后进行陈化得ZnO溶胶；2)将步骤1)所得ZnO溶胶旋涂至干净的FTO玻璃片上；3)将步骤2)中均匀涂有ZnO溶胶的玻璃片放入马弗炉中加热至300～400℃保温10～20min，升温速度为1～5℃/min，然后冷却至室温取出，得ZnO晶种；4)把步骤3)所得ZnO晶种放入氢氧化钠和硝酸锌所配制的混合溶液中，其中Zn(NO3)2和NaOH的摩尔比为1:(8～40)，然后在60～90℃的水浴条件下保温90～180min，得ZnO纳米棒阵列；5)对步骤4)所得ZnO纳米棒阵列，采用连续式离子沉积法将其依次置于Cd源溶液、S源溶液和乙醇溶剂中浸泡4～5min，依次重复浸泡6～8次，实现在步骤4)所得ZnO纳米棒阵列表面CdS量子点的沉积，其中Cd源溶液和S源溶液的添加量分别以其引入的Cd2+和S2‑为准，Cd2+和S2‑的浓度比为1:1；6)重复步骤4)和5)，得所述硫化镉‑氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料。

【技术特征摘要】
1.一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以
下步骤：
1)称取原料：将醋酸锌、乙醇胺和乙二醇甲醚混合均匀，置于45～60℃油浴锅中反应
30～40min，然后进行陈化得ZnO溶胶；
2)将步骤1)所得ZnO溶胶旋涂至干净的FTO玻璃片上；
3)将步骤2)中均匀涂有ZnO溶胶的玻璃片放入马弗炉中加热至300～400℃保温10～
20min，升温速度为1～5℃/min，然后冷却至室温取出，得ZnO晶种；
4)把步骤3)所得ZnO晶种放入氢氧化钠和硝酸锌所配制的混合溶液中，其中Zn(NO3)2和NaOH的摩尔比为1:(8～40)，然后在60～90℃的水浴条件下保温90～180min，得ZnO纳
米棒阵列；
5)对步骤4)所得ZnO纳米棒阵列，采用连续式离子沉积法将其依次置于Cd源溶液、
S源溶液和乙醇溶剂中浸泡4～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昱，闫晓婷，刘婧，王超，黄华文，吴旻，陈丽华，王洪恩，苏宝连，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42