一种Mn-Cd-S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术提供了一种Mn

【技术实现步骤摘要】
一种Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法及其产品和应用


[0001]本专利技术属于光催化
，特别是涉及Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]随着工业社会的快速发展，能源危机和环境污染问题日益严重。因此，寻找一种绿色可持续的替代能源对人类社会的长期发展具有重要意义。氢气(H2)由于其清洁、可再生、能量密度高和可运输性等优点，一直被认为是替代化石燃料的优秀候选者。然而，到目前为止，低效率、高能耗、对环境有害的制氢技术严重限制了氢能的商业应用。相比之下，光催化水裂解可以将可持续的太阳能转化为氢能，而不排放任何污染物，因此被认为是一种可持续且有前途的绿色制氢技术。然而，受限于光生电子空穴快速的复合以及表面活性位点少，大多数半导体的光催化效率不高。为了电子
‑
空穴分离效率，经常需要使用铂(Pt)等贵金属助催化剂提高光催化活性，这限制了光解水制氢在实际生产中的应用。因此，发展廉价、高效的非贵金属是助催化剂来提高半导体材料的电荷分离效率和光解水效率至关重要。
[0003]近年来，硫化镉基无限固溶体，如Mn
x
Cd1‑
x
S(0<x<1)，因其可调的带隙和优异的光响应特性而受到了广泛关注。然而，由于光生载流子的复合严重且易受到光腐蚀，Mn
x
Cd1‑
>x
S固溶体的产氢活性虽然相较于CdS有明显提升，但仍然不理想。因此，如何改进来提高Mn
x
Cd1‑
x
S(0<x<1)固溶体的催化活性是目前的研究热点。
[0004]截至目前，研究人员已经提出多种策略对Mn
x
Cd1‑
x
S固溶体进行改性，比如降低尺寸、造孔或空心结构，表面修饰，构建异质结等。其中，通过负载合适的助催化剂形成半导体
‑
(准)金属异质结可以显著改善光催化产氢活性。如公开号为CN114471624A的中国专利公开了一种NiSe2/Mn
0.3
Cd
0.7
S异质结光催化剂，所述光催化剂呈现一维纳米棒状结构，由纳米颗粒状NiSe2负载于一维纳米棒状Mn
0.3
Cd
0.7
S的表面而成；所述纳米颗粒状NiSe2在光催化剂中的含量为3
‑
20wt％，在光催化过程中扮演助催化剂的角色。如公开号为CN107376944A的中国专利公开了一种XS/Mn
0.5
Cd
0.5
S(X＝Mo,Cu,Pd)光催化剂，所述光催化剂为过渡金属硫化物XS(X＝Mo,Cu,Pd)负载在Mn
0.5
Cd
0.5
S固溶体表面，起助催化作用。
[0005]相比于单一的金属或金属化合物半导体，碳量子点(CQDs)具有原料丰富，容易合成，含碳量大，成本低，比表面积大，催化活性高等优点。它们的末端基团可以与金属盐配位，使混合物均匀分散。将其与金属盐混合，通过惰性气氛高温还原得到的金属
‑
CQD
S
纳米复合颗粒，不仅降低金属使用量，而且暴露出更大的比表面积和更多的活性位点，有望成为更廉价的助催化剂，并对氢气析出反应(HER)展现更好的催化活性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法，制备方法简单，制备得到的M/NC/Mn
0.35
Cd
0.65
S作为光催化剂在光催化水分解产氢中
具有良好的性能。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0009](1)将过渡金属(M)盐和氮掺杂的碳量子点(NCQDs)混合后，煅烧得到M/NC纳米颗粒，M＝Ni、Co、Cu、Fe、Zn；
[0010](2)以Mn
0.35
Cd
0.65
S纳米棒为载体，加入M/NC纳米颗粒，在溶剂中混合，获得M/NC/Mn
0.35
Cd
0.65
S纳米棒作为Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结。
[0011]本专利技术提供的制备方法首先通过以氮掺杂的碳量子点和金属硝酸盐为原料搅拌混合均匀，干燥后煅烧得到M/NC纳米颗粒，然后将M/NC通过静电自助装的方式负载到Mn
0.35
Cd
0.65
S上。
[0012]本专利技术的技术原理在于：氮掺杂碳量子点与过渡金属盐混合均匀，干燥煅烧后得到的M/NC纳米颗粒，过渡金属的引入不仅提高氮掺杂碳量子点的电子传导效率，而且增加催化活性位点。在本专利技术制备的M/NC/Mn
0.35
Cd
0.65
S光催化剂中，M/NC的存在会使Mn
0.35
Cd
0.65
S上的电子通过碳层的传导快速转移到活性位点上，加快电子和空穴的分离，进而明显提高催化剂的光催化活性和稳定性。
[0013]所述过渡金属盐选自硝酸镍、硝酸铜、硝酸铁、硝酸锌或硝酸钴。
[0014]优选的，所述金属盐选自硝酸镍或硝酸钴，相对于其他过渡金属盐，镍和钴更利于提高NC的电子传导效率，加快电子和空穴的分离，更有利于提高光催化产氢性能。
[0015]在步骤(1)中，葡萄糖为碳源和以双氰胺为氮源，水热反应得到氮掺杂的碳量子点。
[0016]在步骤(1)中，所述煅烧的温度为500～800℃。通过控制煅烧温度来保证M能够负载到NC，形成M/NC，实现电子传导效率的提高和催化活性位点的增加。
[0017]在步骤(2)中，所述Mn
0.35
Cd
0.65
S纳米棒的制备方法为：以醋酸镉、醋酸锰和硫源为反应原料，去离子水和乙二胺为溶剂，合成Mn
0.35
Cd
0.65
S纳米棒。
[0018]所述硫源为硫代乙酰胺(C2H5NS)、硫脲(CH4N2S)或L
‑
半胱氨酸(C3H7NO2S)。
[0019]优选的，所述硫源选自硫代乙酰胺，相对于其他硫源，硫代乙酰胺有利于立方相CdS和立方相MnS的生成，能够促进纯相固溶体Mn
X
Cd1‑
X
S的形成。
[0020]在步骤(2)中，所述M/NC纳米颗粒和Mn
0.35
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将过渡金属M盐和氮掺杂的碳量子点NCQDs混合后，煅烧得到M/NC纳米颗粒，M＝Ni、Co、Cu、Fe、Zn；(2)以Mn
0.35
Cd
0.65
S纳米棒为载体，加入M/NC纳米颗粒，在溶剂中混合，获得M/NC/Mn
0.35
Cd
0.65
S纳米棒作为Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结。2.根据权利要求1所述的Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法，其特征在于，所述过渡金属盐选自硝酸镍、硝酸铜、硝酸铁、硝酸锌或硝酸钴。3.根据权利要求1所述的Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法，其特征在于，以葡萄糖为碳源和以双氰胺为氮源，水热反应得到氮掺杂的碳量子点。4.根据权利要求3所述的Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度范围在500～800℃。5.根据权利要求1所述的Mn
‑
Cd
‑
S固溶体/氮掺杂碳/过渡金属纳米异质结的制备方法，其特征在于，所述Mn
0.35
Cd
0.65...

【专利技术属性】
技术研发人员：张松清，郭长发，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：