[发明专利]一维CdS/TiO2复合半导体光催化纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一维CdS/TiO₂复合半导体光催化纳米材料及其制备方法，属于无机纳米材料制备领域。

背景技术

近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健、防结雾和自清洁图层、光催化化学合成等方面的应用研究发展迅速，纳米光催化成为国际上最活跃的研究领域之一。1972年Fujishima和Honda在n-型半导体TiO₂电极上发现了水的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕(Nature，1972，238，37.)。1976年Garey用TiO₂光催化剂脱除了多氯联苯中的氯(Bull.Environ.Contam.Toxical.1976，16，697.)，1977年Frank光催化氧化CN-为OCN-(J.Phys.Chem.1977，81，1484.)，光催化技术在环保方面的应用研究开始启动。

二氧化钛作为一种典型的半导体材料，由于其光催化活性高(吸收紫外光性能强；禁带和导带之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化性强)，化学性质稳定(耐酸碱和光化学腐蚀)，对生物无毒，原料来源丰富、价廉等优点，被认为是最有前景的光催化剂之一。目前，应用于以上用途的二氧化钛一般以纳米颗粒或者薄膜的形式存在，纳米颗粒在使用过程中存在分离、回收困难等问题，而二氧化钛薄膜不但具有制备温度高，成本高等缺点，而且由于器件只能利用表面效应，所以灵敏度和性能与一维纳米材料相比大大降低，在很多场合下不能推广应用。

TiO₂半导体的禁带宽度为3.2eV，只能吸收紫外光，并且量子效率较低(约10％)；实际应用过程中光致电子和空穴对的转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低。近期研究发现，掺杂其它价格低廉的半导体材料与TiO₂进行复合，可以有效地提高催化剂的光催化活性，成为近年研究较多的一种方法。制备基于TiO₂纳米结构的复合半导体光催化材料，本质上可以看成是一种纳米结构对另一种纳米结构的修饰，其修饰方法包括简单的组合、掺杂、多层结构和异相组合、插层复合等。CdS半导体的禁带较窄，而且导带能级比TiO₂的高，由于两种半导体的禁带发生交迭，在可见光波长范围，发生电子跃迁后，光激发产生的空穴留在CdS的价带，电子则跃迁到TiO₂的导带上，从而提高光催化剂的电荷分离率，光敏化TiO₂；窄禁带半导体CdS与TiO₂进行复合，制备出表面或体相复合物，期望充分发挥其可见光响应性能，提高日光下催化剂的活性；一维半导体CdS纳米结构被广泛用于制备非常灵敏的器件，但是易发生光腐蚀，影响使用寿命，如与TiO₂复合后可抑制光腐蚀的发生，在实际应用方面具有特别重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种分步制备一维CdS/TiO₂复合半导体光催化纳米材料的方法，以扩展其对可见光的响应范围和提高量子效率。

一维CdS/TiO₂复合半导体光催化纳米材料的制备方法，包括均一CdS纳米线的合成以及包覆法制备一维CdS/TiO₂复合半导体光催化纳米材料核/壳结构，步骤如下：

(1)制备尺度均一CdS纳米线

称取0.4g CdCl₂·2.5H₂O和0.8g铜试剂分别溶于20mL水中，二者混合均匀，室温下搅拌10-30分钟，过滤收集得到白色产物，白色产物室温水洗三次后，置于电热恒温加热箱中70℃干燥10-15小时。取上述所得样品1g置于装有45mL有机溶剂的内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜内，封闭拧紧反应釜，在100℃～300℃恒温条件下反应24～72h，反应完毕后，自然冷却至室温，将所得产物室温下分别水洗、醇洗两次，然后离心分离并在70℃干燥10-15小时，即获得尺度均一CdS纳米线。

(2)包覆法制备一维CdS/TiO₂复合半导体光催化纳米材料