[发明专利]一种还原氧化石墨烯/ZnIn2S4光催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于无机化学及光催化领域，具体涉及一种还原氧化石墨烯/ZnIn₂S₄光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

我国能源生产与消费以煤及石油为主，然而，煤炭, 石油燃烧的产物CO₂，SO₂，粉尘等造成“温室效应”、酸雨等诸多环境问题。另一方面，根据科学家的普遍估计，到本世纪中叶，石油资源将会开采殆尽，能源危机将席卷全球。因此，开发清洁的可再生新能源迫在眉睫。氢能作为一种清洁、高效、安全、可贮存的二次能源，具有很大的开发潜能。有人将氢能誉为“世界上最干净的能源”。但是，目前氢能的生产还主要是依靠煤、天然气的重整来获得，这必然会加剧非可再生能源的消耗并且带来环境污染问题。因此，以水、生物等可再生物资为原料，利用太阳能制氢则是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径之一。

近年发展起来的半导体光催化技术，因其反应条件温和，无二次污染，以及利用太阳光为驱动力，在新能源的开发和有机污染物降解方面发挥了巨大的作用。为提高光催化剂的性能，人们不仅将研究重点放在经典的TiO₂体系，还尝试了很多其他的半导体材料，其中三元硫化物ZnIn₂S₄（2.34-2.48 eV）因其禁带宽度较窄，在可见光区有较强吸收，以及较好的化学稳定性，已经作为一类新型的光催化材料，在光解水和降解有机污染物方面得到了广泛的研究。然而，由于硫属化合物存在严重的光腐蚀，限制了其广泛的应用。

石墨烯（graphene），碳的另一种同素异形体，是一种由碳原子以sp²杂化相连接的单个原子层厚度的新型二维原子晶。由于其具有非常高的比表面和导电性，以及好的稳定性和表面结构可修饰等一些非常有意义的特性，受到科学家们的广泛关注，是构成新材料的非常有前景的基本结构单元。将石墨烯引入到光催化反应体系或将其与半导体光催化剂复合，有希望利用其优异的电子传输性能，从而大幅度的提高材料的光催化性质，并抑制催化剂的光腐蚀。因此开发具有高效，生产工艺简单的复合光催化剂对推广光催化技术的应用有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种还原氧化石墨烯/ZnIn₂S₄光催化剂及其制备方法和应用，该复合光催化剂具有高效的光催化产氢效果，产氢速率可达814 umol·h^-1·g^-1（1.0% RGO/ZnIn₂S₄），制备方法简便易行，有利于大规模的工业推广。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种还原氧化石墨烯/ZnIn₂S₄光催化剂是一种以还原氧化石墨烯作为电子的传输体，促进了电子和空穴的分离，且片状的ZnIn₂S₄紧密堆积平铺在还原氧化石墨烯上的半导体复合光催化剂，其化学式为RGO/ZnIn₂S₄。

采用简单的溶剂热法一步合成RGO/ZnIn₂S₄复合光催化剂。包括以下步骤：

（1）氧化石墨烯（GO）的制备：在冰浴条件下，将5 g石墨和2.5 g NaNO₃于120 mL浓硫酸中搅拌1h，缓慢加入15 g KMnO₄，搅拌5天，将700 mL蒸馏水加入反应体系，再加入65 mL 质量分数为30% 的H₂O₂，经稀HCl和蒸馏水洗涤后，超声分散在蒸馏水中，得到棕黄色的GO；

（2）RGO/ZnIn₂S₄的制备：将GO分散在30ml乙二醇 和30ml N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中，超声1h，然后分别加入0.136g ZnCl₂和0.586g InCl₃·4H₂O并使之溶解，超声2h，最后加入0.3g硫代乙酰胺，搅拌1h，将溶液转移到100mL的水热釜中，在200℃下反应24h，经洗涤、烘干，得到墨绿色的RGO/ZnIn₂S₄复合光催化剂。其中RGO的负载量为0.5%-5.0%。

所述的光催化剂用于可见光下光催化产氢。

本发明的显著优点在于：