一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g

【技术实现步骤摘要】
一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法
[0001]
：本专利技术属于复合光催化剂领域，尤其是一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法。
[0002]【技术背景】：随着全球技术和经济的飞速发展，不可再生资源的消耗巨大。同时，这些不可再生资源消耗时产生的气体会导致严重的空气污染和全球变暖。因此，寻找可再生无污染的能源是迫在眉睫的事情。目前，氢被认为是最理想的能源，因其具有相对丰富的储量、高能量密度(122kJ/g)及环境友好性(WU L-Z，CHEN B，LI Z-J，et al.Enhancement of the Efficiency of Photocatalytic Reduction of Protons to Hydrogen via Molecular Assembly.Accounts of Chemical Research，2014，47：2177)。但是，当前制氢的方法仍需依赖于燃料作为驱动力(ZOU X，ZHANG Y.Noble metal-free hydrogen evolution catalysts for water splitting.Chemical Society Reviews，2015，44：5148)。尽管水电解提供了一种可持续生产氢的方法，但该途径涉及大量的功率消耗且能量转换效率低；而电能生产也主要基于传统的化石燃料。因此，如何利用可再生能源发展智能的制氢策略，将会成为解决能源危机和环境污染的一种可行方法。/>[0003]早在2009年，Wang等人最早提出g-C3N4可以将水分解制备氢气的方法(WANG X，MAEDA K，THOMAS A，et al.A metal-free polymeric photocatalyst for hydrogen production from water under visible light.Nature Materials，2009，8：76)。随后，g-C3N4就被看成最有潜力的光催化材料；据报道，C3N4是绿色和不含贵金属的半导体光催化剂，在C3N4中有两个同时发生的反应：(1)由于不含金属，因此应用在酸和碱的环境下均具有稳定性；(2)通过C和N杂化形成共轭石墨平面(ZHANG X-S，HU J-Y，JIANG H.Facile modification of a graphitic carbon nitride catalyst to improve its photoreactivity under visible light irradiation.Chemical Engineering Journal，2014，256：230)。由于存在优异的性质，人们一直关注于C3N4的性能提升，使其在近十年得到了广泛的研究。
[0004]由于过渡金属氧化物的价带(VB)由氧2p轨道组成而硫化物的价带是由硫3p轨道组成。因此，硫化镉(CdS；2.3ev)窄的禁带宽度可以更有效地利用太阳光(KORAKE PV，ACHARY SN，GUPTA NM.Role of aliovalent cation doping in the activity of nanocrystalline CdS for visible-light-driven H
2 production from water.International Journal of Hydrogen Energy，2015，40：8695)。迄今为止，已有科学工作致力于研究CdS的制氢性能。例如，He等人报告指出：使用浓氨水作为水热溶剂可以成功制备具有堆垛层错结构的CdS，这种方法制备的CdS比以水为水热溶剂的常规水热法合成的制氢效率高(HE K，GUO L.A-Novel-CdS-Nanorod with Stacking Fault Structures：Preparation and Properties of Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Production from Water Splitting.Energy Procedia，2014，61：2450)。CdS的不同合成路线和形态会直接影响制氢性能；CdS在水中会产生光学分解，因此必须将电子给体添加到溶液中，通过供体的牺牲消耗来规避CdS分解。目前EDTA、甲酸、异丙醇、乙醇、甲醇、葡萄糖、白
蛋白、纤维素、硫化物及亚硫酸盐等已被用作避免CdS分解的牺牲剂。例如Berr等人合成的CdS纳米棒用Pt簇修饰，并比较SO
23-、TEA、EDTA及MeOH作为空穴清除剂的光催化性能(BERR M，VANESKI A，SUSHA AS，et al.Colloidal CdS nanorods decorated with subnanometer sized Pt clusters for photocatalytic hydrogen generation.Applied Physics Letters，2010，97)。
[0005]基于以上考虑，本专利技术专利公开了一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法，其通过利用水热法制备CdS和g-C3N4异质结结构，从而解决g-C3N4自身光生载流子复合速率过快的问题。通过改变CN的掺入量来调控复合光催化剂材料的微观形貌来增加材料的比表面积从而增加更多的活性位点来提高催化材料的催化效率，并对其降解罗丹明B(RhB)污染物机理进行探究。本专利技术的创新点是提供了一个新结构的制备方法，为制备特定形貌的光催化剂提供了参考。
[0006]
技术实现思路
：本专利技术专利的内容是一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法，其中CdS/g-C3N4缩写为CNCS，成功合成了一种Z型异质结，从而解决g-C3N4自身光生载流子复合速率过快的问题；通过调整g-C3N4纳米片的质量对形貌进行控制，增加材料的比表面积从而增加更多的活性位点；通过扫描电镜SEM发现在水热的过程中CdS与溶液中加入的CN混合后，在特定条件下CN纳米片被插到了CdS纳米/微球的表面，形成类似于海胆状的CNCS复合光催化剂；并通过紫外可见漫反射光谱分析和PL光谱分析，解释光催化性能改善的原因；通过大量实验对CdS/g-C3N4复合光催化剂催化性能进行了研究，在可见光下对降解罗丹明B(RhB)表现出优异的光催化活性，RhB的降解率达到96.7％。
[0007]【本专利技术的技术方案】：本专利技术专利涉及了一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法，其中CdS/g-C3N4缩写为CNCS；具体合成工序分为2步：第一步是g-C3N4纳米片的制备，第二步是CdS/g-C3N4复合光催化剂的制备；
[0008]其中，g-C3N4纳米片的制备具体步骤如下：第一、称量分析纯的三聚氰胺7.0～13.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明专利涉及了一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法，其中CdS/g-C3N4缩写为CNCS；具体合成工序分为2步：第一步是g-C3N4纳米片的制备，第二步是CdS/g-C3N4复合光催化剂的制备；其中，g-C3N4纳米片的制备具体步骤如下：第一、称量分析纯的三聚氰胺7.0～13.0g放入氧化铝坩埚中，并放在马弗炉里；第二、将马弗炉从室温以3℃/min的速率升温到550℃并保温3～5h，然后随炉自然冷却至室温；第三、将冷却后均匀尺寸块体的1.0～6.0g样品放入玛瑙研钵中研磨7～12min得到淡黄色粉末，将研磨后得到的1.0～6.0g粉末加入到无水乙醇中超声30min，功率为150W，再放到60℃烘箱中干燥12h得到g-C3N4粉末；第四、将上述研磨好的1.0～6.0g g-C3N4粉末放入氧化铝坩埚中，并放入马弗炉中进行二次煅烧；第五、将马弗炉以5℃/min升温到500℃，保温2h，最终获得1.0～6.0g剥离的g-C3N4纳米片。2.本发明专利提供一种水热法合成的具有Z型异质结CdS/g-C3N4复合光催化剂材料的制备方法，其中CdS/g-C3N4缩写为CNCS，其特征在于，CdS/g-C3N4复合光催化剂的具体制备步骤如下：第一、在60～100mL去离子水中，加入分析纯的四水合硝酸镉1.20893～2.56776g，分析纯的硫脲0.36470～0.60896g及分析纯的聚乙烯吡咯烷酮0.70000～1.10000g，以400r/min的速率一起搅拌直至溶解，得到溶液A；第二、将0.01～0.20g权利要求1所制得的g-C3N4纳米片加入到上述搅拌均匀的溶液A中，再进行6h的搅拌得到溶液B，搅拌速率为400r/min；第三、将第二步骤得到的充分混合的60～100mL溶液B以40mL/min速率转移到100mL聚四氟乙烯衬里的高压釜后，高压釜直接放到160℃烘箱中加热12h，反应结束后将反应釜拿出自然冷却到室温；第四、将上述冷却后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李远亮，刘云，郑占申，王笛笛，杨晨，曾康钰，陈嘉巧，李东升，李春生，孙嬿，
申请(专利权)人：华北理工大学，
类型：发明
国别省市：