一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂及其制备方法，属纳米材料制备和光催化环境能源及污染物治理技术领域。它包括化合物R

【技术实现步骤摘要】
一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂及其制备方法
本专利技术属于纳米材料制备和光催化环境能源及污染物治理
，更具体地说，涉及一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂及其制备方法。
技术介绍
由于氢能高能量密度、可储存性和可运输性，在日益增长的能源需求中被认为是未来的绿色能源。在各种可持续的、经济的制氢方法中，光催化分解水(同时产生氢气和氧气)技术是目前研究的热门方向之一。因此，探索高效、稳定、经济的光催化剂对可持续发展的未来具有重要意义。光催化研究领域中，关于二氧化钛(TiO2)的研究最为活跃，其已被广泛应用于光电转换、空气净化、废水处理等领域。但由于带隙宽，光生载流子易复合等缺陷，阻碍了其推广和应用。为了解决这些问题，近年来科学家们进行了大量的研究。经检索，中国专利技术专利CN111545235A公开了一种2D/2Dg-C3N4/CoAl-LDH异质结材料的制备与光催化分解水产氢的应用，具体公开了：所述异质结材料的制备以g-C3N4纳米片为模板，通过原位一步水热法将CoAl-LDH负载在C3N4纳米片表面形成二维/二维平面异质结复合材料。该专利技术所得的平面异质结构的更大的接触界面积为光生载流子的迁移和分离提供更多的高速通道，从而保持了尽可能大的表面原子的占比，为光催化反应提供更多的活性位点，因此具有一定的催化产氢性能，但是这一类异质结材料无法催化产氧，这主要是因为异质结材料发生氧化反应的活性不够，无法将水分子氧化成氧气。因此，无法提高异质结催化剂的氧化活性成为分解水产氧的主要难题，目前亟需设计一种能够有效促进光生电子和空穴的快速分离、增强光催化分解水的能力的异质结催化剂或其制备方法。
技术实现思路
1.要解决的问题针对现有技术中的异质结材料发生氧化反应的活性不够、无法将水分子氧化成氧气问题，本专利技术提供一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂及其制备方法；通过设计选材的复合方式和其能带结构，使制得的异质结光催化剂在水中能产生活性自由基，从而有效解决异质结材料发生氧化反应的活性不够、无法将水分子氧化成氧气的问题。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，包括化合物R1和化合物R2，所述化合物R1和化合物R2之间具有Z型异质结；所述化合物R1和化合物R2其中之一的价带位置＞2.38eV，另一个的价带位置＜2.38eV；在氙灯的照射作用下，所述Z型异质结在水中可催化生成·OH。本专利技术中所使用的氙灯光源波长范围为190nm～1100nm。优选地，所述R1中含有Ti元素；所述R2的化学式为AlBmCn；其中A和B相同或不同且各自独立地为化合价大于1的金属元素，C为氧元素或硫元素。优选地，所述l为1～4，m为1～4，n为2～12。优选地，所述R1为TiO2纳米片，其厚度为1.3nm～16nm。优选地，所述R2为ZnIn2S4纳米片；所述TiO2纳米片和ZnIn2S4纳米片的质量比为(1～200)：(16～1600)。本专利技术的一种光催化剂的制备方法，所述光催化剂为本专利技术中的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其具体制备步骤为：(1)制备出TiO2纳米片；(2)将TiO2纳米片超声分散于溶剂中，再加入Zn2+盐、In3+盐和硫代类化合物进行油浴反应，反应结束后自然冷却至室温；将沉淀物离心分离，然后用超纯水和无水乙醇各洗涤1～6次，真空干燥，得到TiO2/ZnIn2S4直接Z型异质结光催化剂。优选地，所述(1)步骤中TiO2纳米片的制备方法为：将四氯化钛加入到醇溶液中，搅拌均匀至完全溶解后，所得混合溶液转移到水热反应釜中进行恒温反应，反应结束后将所得产物用超纯水和无水乙醇洗涤，离心后真空干燥，得到TiO2纳米片。优选地，所述醇溶液为乙二醇，四氯化钛和乙二醇的体积比为(0.1～5)：(3～150)；和/或所述恒温反应的温度为120℃～180℃，反应时间为3h～6h。优选地，所述(2)步骤中溶剂为丙三醇和水的混合液，所述TiO2纳米片、丙三醇和水的质量比为(0.01～0.2)：(1～50)：(10～100)；和/或所述(2)步骤中Zn2+盐、In3+盐和硫代类化合物分别为氯化锌、氯化铟和硫代乙酰胺，氯化锌、氯化铟和硫代乙酰胺的质量比为(0.05～5)：(0.1～5)：(0.05～5)。优选地，所述超声时间为0.5h～2h；和/或所述油浴温度为50℃～120℃，反应时间为0.5h～5h。3.有益效果相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，包括化合物R1和化合物R2，所述化合物R1和化合物R2之间具有Z型异质结；所述化合物R1和化合物R2其中之一的价带位置＞2.38eV，另一个的价带位置＜2.38eV；在光源的照射作用下，所述Z型异质结在水中可催化生成·OH；通过上述设置，一方面能够使得光催化剂中发生氧化反应的价带能级降低，氧化活性增强，而发生还原反应的导带能级增加，对应还原活性增强，提升光生载流子的寿命，进而促进光生电子和空穴的快速分离，另一方面在水中能够产生·OH和·O2-等活性自由基，而产生的具有强氧化性·OH为分解水反应中的主要活性物质，从而增强异质结材料的光催化分解水并产生氢气和氧气的性能。(2)本专利技术的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，所述R1为TiO2纳米片，其厚度为1.3nm～16nm，所述R2为ZnIn2S4纳米片；所述TiO2纳米片和ZnIn2S4纳米片的质量比为(1～200)：(16～1600)；通过在TiO2纳米片上复合ZnIn2S4纳米片，TiO2纳米片较大的比表面积不仅有利于改善ZnIn2S4单体易团聚等问题，而且为反应提供更多的活性位点，同时更有益于光催化反应的进行，能够获得价带更正、导带更负的TiO2/ZnIn2S4直接Z型异质结光催化剂，该催化剂分解水并析出H2和O2的速率分别可以达到214.9μmolg-1h-1和81.7μmolg-1h-1，具有优异的光催化性能。(3)本专利技术的一种光催化剂的制备方法，所述光催化剂为本专利技术中的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其具体制备步骤为：1)制备出TiO2纳米片；2)将TiO2纳米片超声分散于溶剂中，再加入Zn2+盐、In3+盐和硫代类化合物进行油浴反应，反应结束后自然冷却至室温；将沉淀物离心分离，然后用超纯水和无水乙醇各洗涤1～6次，真空干燥，得到TiO2/ZnIn2S4直接Z型异质结光催化剂；该制备方法操作简便，原料易得，通过上述制备方法，能够获得光催化性能优异的TiO2/ZnIn2S4直接Z型异质结光催化剂。附图说明图1为本专利技术的TiO2/ZnIn2S4直接Z型异质结光催化剂的扫描电镜图；图2为本专利技术的TiO2/ZnIn2S4直接Z型异质结光催化剂的透射电镜图；图3为本专利技术的TiO2/ZnIn2S4直接Z型异质结光催本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其特征在于，包括化合物R

【技术特征摘要】
1.一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其特征在于，包括化合物R1和化合物R2，所述化合物R1和化合物R2之间具有Z型异质结；所述化合物R1和化合物R2其中之一的价带位置＞2.38eV，另一个的价带位置＜2.38eV；在氙灯的照射作用下，所述Z型异质结在水中可催化生成·OH。


2.根据权利要求1所述的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其特征在于，所述R1中含有Ti元素；所述R2的化学式为AlBmCn；其中A和B相同或不同且各自独立地为化合价大于1的金属元素，C为氧元素或硫元素。


3.根据权利要求1所述的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其特征在于，所述l为1～4，m为1～4，n为2～12。


4.根据权利要求3所述的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其特征在于，所述R1为TiO2纳米片，其厚度为1.3nm～16nm。


5.根据权利要求4所述的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其特征在于，所述R2为ZnIn2S4纳米片；所述TiO2纳米片和ZnIn2S4纳米片的质量比为(1～200)：(16～1600)。


6.一种光催化剂的制备方法，其特征在于，所述光催化剂为权利要求1～5任一项所述的一种可用于分解水的直接Z型异质结光催化剂，其具体制备步骤为：
(1)制备出TiO2纳米片；
(2)将TiO2纳米片超声分散于溶剂中，再加入Zn2+盐、In...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜啟鸣，王鋙葶，左淦丞，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32