[发明专利]一种制备氧化锌/硫化锌纳米异质结光催化剂的方法

说明书

一种制备氧化锌/硫化锌纳米异质结光催化剂的方法，该催化剂是由ZnO负载到ZnS而形成的异质结催化剂，是通过以MOF‑5为模板的两步煅烧法，当ZnS‑C在空气中煅烧x分钟时，其表达式为ZnOS‑x。本发明的优点是:1、首次以金属‑有机框架配合物为模板制备异质结，与现有技术相比,该方法制备的催化剂可达到纳米级别且可大规模的合成；2、本发明的催化剂在可见光照射且不需要借助任何共催化剂的条件下，光催化产氢效率高；3、本发明的催化剂稳定性好,便于重复利用。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域,尤其是涉及一种制备氧化锌/硫化锌异质结光催化剂的方法。

背景技术

近几十年来，随着全球面临的日益严重的能源危机和环境污染，氢能作为一种清洁、可再生、高燃烧值的二次能源而引起人们广泛的关注，也被称为“未来的石油”。不同于石油或煤炭燃烧会产生SO₂、CO₂等有毒物质，氢燃烧的产物是环境友好的水和热。此外相较于时下的燃料(石油、甲烷、煤炭等)，在相同的质量时，氢能含有较大的能量(119KJ/g)，是汽油的3倍，再加上氢能易储存和运输，适应各种环境的需要。因此氢能将是极为理想的能源。从能源角度出发，利用太阳能分解水产生氢是将太阳能转换为化学能，将取之不竭的太阳能通过分解水制氢，这个过程没有污染物产生，而氢能在使用后也产生水，这是一种理想的良性循环，因此利用太阳能分解水制氢是一种可持续开发和利用的过程。在光催化分解水制氢过程中，最主要的问题是光催化剂的设计和制备。

传统的光催化材料，如ZnO是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族的宽禁带(3.37eV)半导体材料，其激子结合能达60meV，拥有许多独特的物理及化学性能。而ZnO在水中受紫外光照射容易发生光腐蚀，或是由于其为两性氧化物，在强酸或强碱溶液中容易发生溶解，在某种程度上限制了其应用。ZnS因其带隙宽、化学稳定性好、无毒环保、成本低等特点而在光催化、光敏电阻、光学传感器以及光致发光材料中得到了广泛应用，有望成为新一代Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料的主体。然而ZnS的带隙宽度(3.68eV)比ZnO的带宽还大，导致其光响应范围仅在紫外光区域。值得注意的是，理论计算和实验结果都已证实，将ZnO与ZnS两种宽带隙半导体材料的结合可以得到一种新型的材料，而这种材料的光致激发阈值低于单纯ZnO或ZnS两种材料中的任何一种，并且可以提高光催化剂的光生电子-空穴对的分离。同时缩小异质结光催化剂的粒径尺寸，可达到减小光生载流子迁移到催化剂表面平均自由程的效果，从而进一步提高光生电子-空穴对的分离效率，最终提高光催化活性，但纳米级异质结制备困难。迄今为止，有多种ZnO/ZnS核/壳复合结构被合成出来。而纳米级ZnO/ZnS异质结却并未见报道。

发明内容

本发明的发明目的是为了解决上述存在的难题，提供一种新型、高效光催化剂ZnO/ZnS异质结纳米颗粒的制备方法。

本发明的技术方案：

一种制备氧化锌/硫化锌纳米异质结光催化剂的方法，该催化剂是由ZnO负载到ZnS而形成的异质结催化剂，是通过以MOF-5为模板的两步煅烧法，当ZnS-C在空气中煅烧x分钟时，其表达式为ZnOS-x，当x＝15、30、45、60分钟时，得到ZnO/ZnS异质结纳米颗粒分别为ZnOS-15,ZnOS-30,ZnOS-45,ZnOS-60。

所述的制备氧化锌/硫化锌纳米异质结光催化剂的方法，包括以下步骤：

1)将六水硝酸锌溶解在N-N-二甲基甲酰胺中，形成溶液1，将对苯二甲酸溶解在N-N-二甲基甲酰胺中，形成溶液2，然后将溶液1加入到溶液2中，混合均匀，置于100℃下回流反应12小时，自然降温后过滤，将得到的固体分别用N-N-二甲基甲酰胺和甲醇洗涤3次，最后在70℃下真空干燥12小时，得到白色粉末状固体金属-有机框架配合MOF-5；