一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑及其制備方法技術

本發明專利技術提供了一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑及其制備方法。該光催化劑為富勒烯C

Fullerene / cadmium sulfide nano composite photocatalyst and preparation method thereof

The invention provides a fullerene / cadmium sulfide nano composite photocatalyst and a preparation method thereof. The photocatalyst is fullerene C

【技術實現步驟摘要】
一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑及其制備方法
本專利技術是關于納米材料的，特別涉及一種用于光催化分解水產氫和光催化降解染料的納米復合光催化劑。
技術介紹
進入21世紀以來，能源短缺與環境污染問題已經成為人類生存和發展所面臨的兩大關鍵問題。多年來，人們致力于尋找合適的可再生能源以及污染物處理方法。在眾多的解決方法中，半導體光催化劑由于可以有效利用太陽能，被認為是一種可以同時解決能源和環境問題的有效方法，并且得到了研究人員的廣泛關注。在過去的四十多年里，陸陸續續有許多半導體材料被發現可用于作光催化劑，并且取得了一定的進展，但開發出切實可用的光催化劑仍然存在很多問題。在眾多的半導體光催化劑中，硫化鎘(CdS)由于具有低的禁帶寬度(2.4eV)，可以較好得吸收太陽光中的可見光部分，在太陽光或可見光下都表現出非常優異的光催化性能。此外，CdS還具有資源分布廣，價格低，制備簡單等優勢。因此CdS作為一種重要的半導體材料，已經被運用于各種不同的領域，如光電學、太陽能電池、化學傳感器和光催化劑。然而，CdS基光催化材料也存在著如光催化活性差、量子轉換效率低和光腐蝕問題等內在缺陷。在太陽光照射下，CdS中的硫離子很容易被光生空穴所氧化形成單質硫，導致其光催化活性變低以及穩定性變差，嚴重限制了它的實際應用。因此，如何解決這些問題是提高CdS光催化活性的關鍵。目前，除了傳統的摻雜、復合等方法，選擇以碳材料作修飾以提高CdS的光催化性能已經成為近來的研究熱點。人們通過將無定型碳、氧化石墨烯或碳納米管等碳材料與CdS復合制備納米復合材料，利用碳材料導電性好、比表面積大等優點以提高CdS的光催化活性。富勒烯C60作為碳的一種新型同素異形體，由于獨特的非定域化大π鍵結構使得其具有優異的電子親和力，具有豐富的化學反應活性。因此，富勒烯C60已經在太陽能電池和人造光合作用等領域受到廣泛的重視。另外，基于其優異的電子傳導特性，富勒烯C60還可以有效提高TiO2、g-C3N4和ZnO等光催化劑中光生載流子的分離速度，從而提高它們的催化活性。然而，據了解，目前很少有報道將富勒烯C60和CdS復合以提高CdS光催化劑的催化活性。因此，開發具有高催化活性及高穩定性的新型富勒烯/硫化鎘納米復合材料對CdS光催化材料的發展具有重要意義。
技術實現思路
本專利技術的目的，是針對目前的硫化鎘基光催化材料存在光催化活性低和光腐蝕導致的循環穩定性差等內在缺陷，提供了一種通過水熱法一步制備的富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑及其制備方法。本專利技術的技術方案如下：(1)將二水合醋酸鎘和L-半胱氨酸加入去離子水中，攪拌后得到均勻分散的混合溶液；混合溶液中二水合醋酸鎘和L-半胱氨酸與去離子水的質量比為1.33:1.22～3.66:20～30；(2)將富勒烯C60加入到步驟(1)制得的混合溶液中，攪拌后得到富勒烯C60均勻分散的混合溶液，然后進行水熱反應；其中富勒烯C60與步驟(1)混合溶液中生成的硫化鎘的質量比為0.4～8:100；(3)將步驟(2)的水熱產物使用去離子水和乙醇交替洗滌以去除雜質，然后將產物真空干燥得到富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑。所述步驟(1)混合溶液的攪拌速度為300～400r/min，攪拌時間為1～2h。所述步驟(2)含富勒烯C60的混合溶液的攪拌速度為300-400r/min，攪拌時間為0.5-1h。所述步驟(3)水熱反應的溫度為160-220℃，水熱保溫時間為5-12h，然后自然冷卻到室溫。所述步驟(3)采用去離子水和乙醇交替洗滌，重復6～10次；真空干燥溫度為50-100℃，真空干燥時間為8-12h。本專利技術所述的富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑中，硫化鎘納米晶具有尺寸小(30-80nm)的特點，因此在光照時的光電子遷移路程變短，有利于反應的發生。在富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑中富勒烯C60均勻覆蓋在硫化鎘納米晶表面，可以有效導出光生電子促進光催化反應的進行，提高硫化鎘的光催化活性；同時，由于富勒烯C60優異的電子親和力可以有效提高硫化鎘中光生載流子的分離速度，從而進一步增強其循環穩定性。與現有技術相比較，本專利技術具有以下明顯的優點：1)本專利技術中的富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑在實際應用中性能優異，較純硫化鎘而言在光催化活性和循環穩定性方面都有大幅提高。2)本專利技術中的富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑具有富勒烯包覆硫化鎘納米晶的特殊結構，在光催化反應中十分有利于光生電子和空穴的分離，可以有效提高光催化劑的光催化活性。3)本專利技術采用水熱法，一步制得富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑，具有制備工藝簡單的優點。附圖說明圖1是本專利技術實施例1～4中C60/CdS納米復合光催化劑以及純富勒烯C60和純CdS的X射線衍射圖；圖2是本專利技術實施例1中C60/CdS納米復合光催化劑的透射電鏡照片；圖3是本專利技術實施例1中C60/CdS納米復合光催化劑的高倍透射電鏡照片；圖4是本專利技術實施例1～4中C60/CdS納米復合光催化劑和純CdS的光催化產氫速率對比圖；圖中的0.4C60/CdS、0.8C60/CdS、4C60/CdS、8C60/CdS分別表示本專利技術中實施例1、2、3、4中制備的制品；圖5是本專利技術實施例1中C60/CdS納米復合光催化劑的光催化產氫循環穩定性圖。圖6是本專利技術實施例1～4中C60/CdS納米復合光催化劑和純CdS對羅丹明B的光催化降解效率對比圖；圖6中的0.4C60/CdS、0.8C60/CdS、4C60/CdS、8C60/CdS分別表示本專利技術中實施例1、2、3、4中制備的制品；圖7是本專利技術實施例1中C60/CdS納米復合光催化劑對羅丹明B的光催化降解循環穩定性圖。具體實施方式本專利技術所用原料均為化學純試劑，具體實施例如下；實施例1(1)將1.33g二水合醋酸鎘和1.22gL-半胱氨酸加入到20ml去離子水中，以400r/min攪拌1h后加入3mg的富勒烯C60，繼續以400r/min攪拌0.5h，得到富勒烯C60均勻分散的混合溶液。(2)將步驟(1)制得的混合溶液轉移到30ml聚四氟乙烯反應釜中，密封后放入烘箱中于200℃水熱反應10h。(3)將水熱產物使用去離子水和乙醇交替洗滌，重復6次以去除雜質，70℃真空干燥10h后得到C60/CdS納米復合光催化劑。圖1為實施例1中所制備的C60/CdS納米復合光催化劑以及純CdS納米晶和富勒烯C60的XRD圖譜，由該圖可知，所制備的產品是由六方相CdS和立方相富勒烯C60組成，其中CdS納米晶具有優異的結晶性，富勒烯C60的引入不影響CdS的結晶性。圖2和圖3為實施例1中制備的C60/CdS納米復合光催化劑的透射電鏡照片及其高倍透射照片。從圖2中可以看到所制備的產物具有多邊形結構，其尺寸范圍為30～80nm。從圖3中可以看到在單個的CdS納米晶表面有一層均勻的非晶層(虛線處)，厚度約為1nm，是吸附在其表面的富勒烯C60分子，說明二者之間存在較好的界面結合力。由上述表征圖譜進一步證實了，采用本專利技術所提供的制備方法可以獲得C60/CdS納米復合光催化劑。將本實施例1中制備的C60/CdS納米復合光催化劑應用于光催化產氫反應中。具體實驗方法如下：將25mg實施例1中制備的C60/CdS納米復合光催化劑超聲分散于5本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑，為富勒烯C

【技術特征摘要】
1.一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑，為富勒烯C60均勻覆蓋在CdS納米晶表面形成，表示為C60/CdS；所述富勒烯C60與CdS的質量比為0.4～8:100。2.根據權利要求1所述的一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑，其特征在于，所述富勒烯C60與CdS的質量比為0.4:100。3.根據權利要求1所述的一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑，其特征在于，所述復合材料中的CdS納米晶尺寸為30～80nm；富勒烯C60均勻包覆在硫化鎘納米晶表面，其厚度1～3nm。4.權利要求1的一種富勒烯/硫化鎘納米復合光催化劑的制備方法，通過一步水熱法直接制備，具體步驟如下：(1)將二水合醋酸鎘和L-半胱氨酸加入去離子水中，攪拌后得到均勻分散的混合溶液；混合溶液中二水合醋酸鎘和L-半胱氨酸與去離子水的質量比為1.33:1.22～3.66:20～30；(2)將富勒烯C60加入到步驟(1)制得的混合溶液中，攪拌后得到富勒烯C60均勻分散的混合溶液，然后進行水熱反應；其中富勒烯C60與步驟(1)混...

【專利技術屬性】
技術研發人員：沈鑄睿，蔡強，張茜，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12