一种Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂及其制备方法、应用技术

本发明专利技术涉及一种Cd1‑xZnxS‑Ni/MoS2复合光催化剂及其制备方法、应用。属于无机纳米材料领域。复合材料中MoS2纳米片的结晶度很低，能够暴露大量的产氢活性位点。通过Zn和Ni的掺杂显著提高了CdS的光生电荷的氧化还原能力并促进了光生电荷的分离。尺寸均一的组装纳米球具有良好的抗光腐蚀和防聚集能力。合成材料所采用的超声水浴法结合静电吸附组装过程简单可控，且所述方法制备得到的复合材料在可见光下无需负载贵金属即可实现高效的光催化分解水产氢的目的，大大降低了能耗和成本，制备得到的复合材料催化产氢速率高达112mmol·h

A Cd1-xZnxS-Ni/MoS2 composite photocatalyst and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂及其制备方法、应用
本专利技术涉及无机纳米材料领域，具体涉及一种高效的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂及其制备方法。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。能源短缺与环境污染是制约当今世界发展的两个主要难题。为了实现人类社会的可持续发展，关于环境净化与清洁能源生产的需求越来越迫切。随着社会能源消耗量的不断增长，化石燃料的需求也随之进一步增加，然而，由于化石燃料的不可再生性，长此以往化石能源将会迅速减少直至消失殆尽。此外，化石燃料燃烧所造成的温室效应和环境污染问题日益严峻，因此，新型可持续能源的开发势在必行。氢气作为一种新兴的能源载体，它具有能量密度高和燃烧产物无污染等优势，是化石能源的理想替代品。制氢的途径有多种，目前应用最广泛的方法是从化石燃料中提取氢气，然而这样会产生导致环境问题的CO2、CO等副产物。太阳能取之不尽用之不竭，而光催化分解水制氢技术因其能直接利用和转化太阳能受到了人们的广泛关注，显示出了广阔的应用前景。硫化镉(CdS)是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，属于直接带隙半导体化合物。CdS的能隙值约为2.4eV，对应的吸收边位于太阳光辐射的可见光范围内，而且，CdS具有合适的能带结构能够有效激发光解水产氢反应。因此，CdS是一种优良的可见光分解水产氢催化剂。尽管如此，单独的CdS颗粒在光催化反应中表现出来的光生电荷复合速率高，光腐蚀以及聚集现象等，严重降低了其光催化反应的效率。为了促进光生电荷分离，将CdS与其他半导体进行复合构筑异质结是一种有效的策略。最近研究表明，层状结构的过渡金属硫化物比如MoS2，WS2等，作为催化剂或助催化剂在光催化和电催化反应中表现出了十分优异的产氢活性，甚至超过了贵金属修饰的催化剂。因此，将层状结构的过渡金属硫化物负载到CdS上有望实现高效的可见光分解水产氢反应。同时，研究发现，对CdS进行Zn的掺杂能够使其导带电势变得更负，而Ni的掺杂不仅可以提高CdS的光吸收能力而且能够增强其对光生电荷的分离能力，因此，对CdS进行Zn和Ni的掺杂有助于显著提升其光解水产氢的活性。此外，为了提高CdS纳米颗粒的抗腐蚀和分散能力，通过将CdS纳米颗粒自组装形成尺寸均一的复合纳米球是一种行之有效的方法。然而，对CdS进行掺杂通常需要高温高压的水热/溶剂热反应条件，而且专利技术人发现：到目前为止，尺寸均一的由Zn,Ni共掺杂的CdS颗粒组装而成的纳米球还难以被制备得到。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种高效的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂的制备方法，即通过超声水浴法首先合成出由Zn,Ni共掺杂的Cd1-xZnxS-Ni组装的纳米球，然后进一步通过静电吸附的方法负载上MoS2，得到Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合组装纳米球。该材料具有比表面积大，活性位点多，可见光吸收能力强，以及光生电荷复合速率低等优势，呈现出了优良的光催化分解水产氢活性。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂，包括：Cd1-xZnxS-Ni纳米球；负载在所述Cd1-xZnxS-Ni纳米球上的MoS2纳米片；其中，0≤x≤0.9。针对目前的水热/溶剂热法难以制备出尺寸均一的、由Zn,Ni共掺杂的CdS颗粒组装而成的纳米球，Cd1-xZnxS-Ni固溶体复合材料的抗光腐蚀性和分散性不佳的问题，本申请通过超声水浴法结合静电吸附过程制备出了均匀分散的由Cd1-xZnxS-Ni纳米晶与MoS2纳米片复合而成的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2组装纳米球，这种新型光催化剂表现出了高效的可见光分解水产氢性能。研究发现：随着Ni掺杂量的增加，Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合组装纳米球的光催化析氢性能提高，但当Ni掺杂的摩尔比达到10％以后，继续提高Ni的添加量会导致复合组装纳米球的光催化析氢效率下降，因此，在一些实施例中，CdS、Zn、Ni的摩尔比为1：0～0.9：0～0.1。研究发现：随着MoS2纳米片吸附量的增加，Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合组装纳米球的光催化析氢性能提高，但若MoS2纳米片的吸附量大于20％，会导致Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合组装纳米球的抗光腐蚀性和分散性下降，因此，在一些实施例中，所述Cd1-xZnxS-Ni纳米球与MoS2纳米片的质量比为1：0.05～0.2。本专利技术的一方面，还提供了一种Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂的制备方法，包括：采用超声水浴法制备Cd1-xZnxS-Ni纳米球；将Cd1-xZnxS-Ni纳米球与MoS2分散液混合均匀，静电吸附组装，形成Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合组装纳米球。本申请研究发现：由于超声水浴法在水浴加热条件下反应温度比较均匀，同时在超声波的震荡作用下，溶液中反应物分子之间的转移和扩散很迅速，而且超声波还具有很大的能量可以诱导产物Cd1-xZnxS-Ni的成核和进一步生长。因此，使得反应过程能够均匀地进行，从而得到均一尺寸的Cd1-xZnxS-Ni纳米球，有效提高了Cd1-xZnxS-Ni/MoS2纳米球的可见光分解水产氢性能。在一些实施例中，所述静电吸附组装在搅拌条件下进行。在一些实施例中，所述MoS2分散液采用溶剂超声剥离法制备。在一些实施例中，所述超声水浴法的具体步骤为：S1、将氯化镉、氯化锌、氯化镍和硫脲溶解在水中，然后加入氨水，配制成前驱体溶液；S2、将步骤S1的前驱体溶液进行超声水浴反应，冷却、分离、洗涤、干燥，即得Cd1-xZnxS-Ni纳米球。研究发现：超声水浴法制备的Cd0.5Zn0.5S/MoS2复合纳米球(未掺杂Ni)在乳酸为牺牲剂的条件下产氢速率最高为80mmol·h-1·g-1，而现有的溶剂热法制备的Cd0.85Zn0.15S/MoS2纳米棒在乳酸为牺牲剂的条件下产氢速率最高为54mmol·h-1·g-1，由此可知，超声水浴法有助于提升Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂的催化析氢性能。在一些实施例中，所述Cd1-xZnxS-Ni纳米球与MoS2分散液混合方法为超声混合。本专利技术还提供了任一上述的方法制备的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂。本专利技术还提供了任一上述的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂在制备析氢电极或析氢传感器中的应用。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提供了一种全新的制备尺寸均一的含有MoS2和Cd1-xZnxS-Ni固溶体的复合纳米组装球(Cd1-xZnxS-Ni/MoS2)及其制备方法和用途，采用所述方法制备得到的复合材料具有尺寸较小的Cd1-xZnxS-Ni纳米晶以及较低结晶度的MoS2包覆层可以增加活性位点的数量，从而促进光催化活性的提高。所述制备方法简单可控，且所述方法制备得到的复合材料在可见光下无需负载贵金属即可实现光催化分解水产氢的目的，大大降低了能耗和成本，制备得到的复合材料催化活性高达112mmol·h-1·g-1。(2)本专利技术合成的光解水产氢催本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Cd1‑xZnxS‑Ni/MoS2复合光催化剂，其特征在于，包括：Cd1‑xZnxS‑Ni纳米球；负载在所述Cd1‑xZnxS‑Ni纳米球上的MoS2纳米片；其中，0≤x≤0.9。

【技术特征摘要】
1.一种Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂，其特征在于，包括：Cd1-xZnxS-Ni纳米球；负载在所述Cd1-xZnxS-Ni纳米球上的MoS2纳米片；其中，0≤x≤0.9。2.如权利要求1所述的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂，其特征在于，CdS、Zn、Ni的摩尔比为1：0～0.9：0～0.1。3.如权利要求1所述的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂，其特征在于，所述Cd1-xZnxS-Ni纳米球与MoS2纳米片的质量比为1：0.05～0.2。4.一种Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括：采用超声水浴法制备Cd1-xZnxS-Ni纳米球；将Cd1-xZnxS-Ni纳米球与MoS2分散液混合均匀，静电吸附组装，形成Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合组装纳米球。5.如权利要求4所述的Cd1-xZnxS-Ni/MoS2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，林海峰，黎艳艳，马晓伟，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37