Z型光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及光催化技术领域，具体提供一种Z型光催化剂及其制备方法和应用。所述Z型光催化剂为复合材料，包括C3N4、包覆于所述C3N4表面的碳层以及包覆于所述碳层表面的CdS量子点层。所述制备方法包括：在C3N4的悬浊液中进行碳源的包覆处理，制备得到C3N4‑碳源；在惰性气氛中，先向所述C3N4‑碳源中加入巯基酸和镉盐，再向其中加入硫化盐，制备得到C3N4‑碳源‑CdS；将所述C3N4‑碳源‑CdS进行煅烧处理，使所述碳源转化为碳层，得到Z型光催化剂。本发明专利技术的Z型光催化剂具有良好的光降解有机污染物性能和光催化产氢性能。

【技术实现步骤摘要】
Z型光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于光催化
，尤其涉及一种Z型光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
工业的高速发展在不断提高人类的生活水平的同时，也给人类造成越来越严重的能源危机和环境污染问题。这些能源危机和环境污染问题迫切需要科学合理的解决方案。1972年，二氧化钛(TiO2)登上了历史舞台，它的出现标志着人类仅靠太阳、水和TiO2就能实现氢气的制备；而且随着研究的深入，科学家们发现TiO2不仅能够产氢，还能够降解有机污染物。在此后的研究进程中，钒酸铋、氮化碳、硫化镉等众多材料也被发现具有产氢或降解能力，因此，人们将这类可以产氢或可以降解有机污染物的材料称为半导体光催化剂。半导体光催化剂的出现，为能源危机和环境污染问题的解决提供了一条两全的思路，因为光催化剂不仅可以直接把太阳光转化为氢能而解决能源危机问题，也可以通过太阳光照射降解有机污染物而解决环境污染问题。然而，要同时实现这两种反应必须依托于具有宽吸光范围、长期稳定、较高的载流子分离效率以及较强的氧化还原能力的光催化剂。只具有一个单部件(一种光催化剂)的光催化体系无法同时满足以上所有的要求。大自然光合作用的Z型光催化体系给以人们启示，通过模仿Z型光催化体系可以弥补单部件光催化体系的这些缺陷和不足，从而满足高效光催化反应的要求。多部件的Z型光催化体系电荷直接通过界面传输，较之传统的异质结纳米复合光催化材料往往具有更强的氧化还原能力。这是因为异质结型光催化材料的氧化反应和还原反应分别发生在价带及导带上，虽有利于光生电子和空穴的分离，但氧化能力和还原能力均被减弱。而复合Z型光催化材料既能保证宽的光响应范围，又能提高氧化、还原能力，可以有效地用于水分解、太阳能电池、污染物降解以及二氧化碳光转化等光催化应用上。氮化碳(C3N4)材料的出现，由于其制备方法简单，而且性能优异，尤其是类石墨相的氮化碳(g-C3N4)具有类似石墨烯的片层结构，可以极大地拓宽对材料结构设计的可能性，因此成为了最近材料界的热点。硫化镉(CdS)量子点是带隙能为2.42eV的可见光响应光催化剂，对光的响应范围很宽，但它具有光生载流子分离效率低以及在光催化过程中的光腐蚀现象，限制了其在环境保护以及太阳能转换领域的应用。已知的硫化镉的合成技术中，大多数为直接添加硫化钠、硫脲、硫代乙酰胺、L-半胱氨酸等常见的硫源，制备出的硫化物均一性不好且粒径较大，因此，寻找一种能够有效控制硫化镉粒径和稳定性的方法显得尤为重要。已知的技术中，硫化镉和氮化碳具有极佳的导带价带匹配度，可以形成异质结，但是复合之后氧化能力减弱，还原能力减弱。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Z型光催化剂及其制备方法，旨在解决现有方法制备的硫化镉粒径粗大且均一性差，而且在与氮化碳复合后氧化、还原能力降低等问题。进一步地，本专利技术还提供该Z型光催化剂的应用。本专利技术是这样实现的，一种Z型光催化剂，所述Z型光催化剂为复合材料，包括C3N4、包覆于所述C3N4表面的碳层以及包覆于所述碳层表面的CdS量子点层。以及，一种Z型光催化剂的制备方法，至少包括以下步骤：在C3N4的悬浊液中进行碳源的包覆处理，制备得到C3N4-碳源；在惰性气氛中，先向所述C3N4-碳源中加入巯基酸和镉盐，再向其中加入硫化盐，制备得到C3N4-碳源-CdS；将所述C3N4-碳源-CdS进行煅烧处理，使所述碳源转变为碳层，得到Z型光催化剂。相应地，上述Z型光催化剂或上述制备方法制备的Z型光催化剂在光催化制氢或光降解污染物领域中的应用。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供的Z型光催化剂，由于在氮化碳(C3N4)和CdS量子点层之间含有过渡的碳层，构成硫化镉导带和氮化碳价带电子传输的电子传输层，提高了氮化碳和硫化镉空穴和电子的转移效率，使得硫化镉导带上的电子可以通过碳有效地传递至氮化碳价带上，进而与其空穴复合，在硫化镉的价带发生降解/产氧反应，在氮化碳的导带实现产氢反应，形成Z型反应，并且由此表现出强的氧化、还原能力，还提高了光催化性能。本专利技术提供的Z型光催化剂的制备方法，在C3N4表面进行碳源的包覆，为后续煅烧实现将异质结转变为Z型结构提供了均匀的碳源基础；而以巯基酸为硫源，再采用硫化盐置换巯基，保证制备出的硫化物粒径小而且均一性良好。通过上述两方面的作用，结合煅烧后碳源碳化形成碳层，为硫化镉导带和氮化碳价带的电子传输提供电子传输层，经过煅烧不仅使最终产物具有良好的结晶度，而且还表现出良好的氧化还原能力，使获得的最终产物呈现出良好的光催化性能。此外，本专利技术提供的Z型光催化剂的制备方法，方法简单易控，成本低，容易实现产业化生产。本专利技术提供的Z型光催化剂，氮化碳和硫化镉之间由碳层进行连接，为电子传输提供了良好的电子传输层，使得硫化镉导带上的电子可以通过碳有效地传递至氮化碳价带上，进而与空穴进行复合，在硫化镉的价带上可以发生降解/产氧反应，而在氮化碳的导带上实现产氢反应，从而提高光催化性能，因此，可以广泛地应用于光催化制氢和光降解污染物领域。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的Z型光催化剂的结构示意图。其中，1-氮化碳(C3N4)；2-碳层；3-量子点层。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本专利技术中涉及的名词解释如下：a.C3N4-碳源指的是在C3N4表面包覆一层碳源形成的中间体，该中间体未经过煅烧处理，经过煅烧处理后，碳源发生碳化，转变成碳层。b.C3N4-碳源-CdS指的是在上述C3N4-碳源的表面负载一层CdS量子点层而形成的结构，该结构经过煅烧处理，其中的碳源发生碳化，转变成碳层。c.g-C3N4-碳源指的是在类石墨相的C3N4表面包覆一层碳源形成的中间体，该中间体未经过煅烧处理，其经过煅烧处理之后，碳源发生碳化，转变成碳层。d.g-C3N4-碳源-CdS指的是在上述g-C3N4-碳源的表面负载一层CdS量子点层而形成的结构，该结构经过煅烧处理，其中的碳源发生碳化，转变为碳层。e.g-C3N4-碳-CdS指的是在类石墨相的C3N4-包覆一层碳层，并在碳层表面包覆一层CdS量子点层形成的结构；该结构是将g-C3N4-碳源-CdS经过煅烧处理后，碳源发生碳化转变成碳层得到。f.量子点层指的是若干量子点密排而成的类似层结构或者层结构的量子点。本专利技术实施例提供一种Z型光催化剂，所述Z型光催化剂为复合材料，包括C3N4、包覆于所述C3N4表面的碳层以及包覆于所述碳层表面的CdS量子点层。本专利技术的Z型光催化剂通过在氮化碳表面包覆一层碳层，构成硫化镉导带和氮化碳价带电子传输的电子传输层，提高了氮化碳和硫化镉空穴和电子的转移效率，使得硫化镉导带上的电子可以通过碳有效地传递至氮化碳价带上，进而与其空穴复合，在硫化镉的价带发生降解/产氧反应，在氮化碳的导带实现产氢反应，形成Z型反应，提高了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Z型光催化剂，其特征在于，所述Z型光催化剂为复合材料，包括C3N4、包覆于所述C3N4表面的碳层以及包覆于所述碳层表面的CdS量子点层。

【技术特征摘要】
1.一种Z型光催化剂，其特征在于，所述Z型光催化剂为复合材料，包括C3N4、包覆于所述C3N4表面的碳层以及包覆于所述碳层表面的CdS量子点层。2.如权利要求1所述的Z型光催化剂，其特征在于，所述碳层由氮掺杂的碳材料组成。3.如权利要求1所述的Z型光催化剂，其特征在于，所述C3N4为类石墨相的C3N4。4.如权利要求3所述的Z型光催化剂，其特征在于，所述类石墨相的C3N4的尺寸为10nm-200μm。5.如权利要求1-2任一项所述的Z型光催化剂，其特征在于，所述CdS量子点层的厚度为5-50nm。6.一种Z型光催化剂的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：在C3N4悬浊液中进行碳源的包覆处理，制备得到C3N4-碳源；在惰性气氛中，先向所述C3N4-碳源中加入巯基酸和镉盐，再向其中加入硫化盐，制备得到C3N4-碳源-CdS；将所述C3N4-碳源-CdS进行煅烧处理，使所述碳源转变为碳层，得到Z型光催化剂。7.如权利要求6所述的Z型光催化剂的制备方法，其特征在于，制备所述C3N4-碳源的步骤中，所述C3N4和所述碳源的物料质量比为(10-30)：(1-10)；和/或，所述C3N4和所述巯基酸的物料比为(1-3)g：(10-50)mL；和/或，所述C3N4和所述镉盐的物料比为(20-60)g：(1-50)mmol；和/或，所述C3N4和所述硫...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍蕊，
申请(专利权)人：TCL集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44