[发明专利]一种高效全光谱响应CuS/石墨烯复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料领域，具体涉及一种可高效全光谱响应CuS/石墨烯复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

环境污染和能源短缺是21世纪人类可持续发展所面临的两大难题，如何寻求一种新型的、环境友好的、且经济可行的技术解决方案是摆在政府和科研工作者面前的紧迫任务。太阳能半导体光催化技术被公认为是解决这两大难题的最有前景的绿色环保技术，具有能耗低、操作简单、反应条件温和、无二次污染等优点。典型光催化剂有TiO₂,CdS,C₃N₄等。同时，科研工作者通过半导体复合、助催化剂、金属或非金属离子掺杂、染料敏化等方法对半导体进行改性，均展现了优异的去除有机污染物和重金属离子、光解水产氢的活性。尽管取得了巨大成就，但是，此领域大多都局限于紫外和可见光区域，而占太阳能50％的红外光并没有被利用。为了有效地利用太阳能，开发高效、稳定的、全光谱(紫外，可见及近红外)响应的新颖光催化剂是迫切需要解决的关键问题，是半导体光催化领域的研究热点之一。

最近，科研工作者针对近红外响应的光催化剂进行了研究。专利申请(CN101642702A；CN102489288A；CN102125828A CN103316703A)公开了一种半导体/上转换材料复合光催化剂，利用上转换材料的特性，吸收近红外光，使得在红外光照射下显示出优异的光催化活性。但是，它仅仅利用太阳能光谱中980nm波长的光，对太阳能的利用率比较低。同时，稀土材料比较昂贵，导致光催化剂成本高，使用过程中存在稀土离子流失问题，会对环境造成污染。专利申请(CN103127946A；CN104174413A；CN105664981A；CN103301834A)公开了一种近红外光响应的光催化剂如Cu₂(OH)PO₄，Ag₂S₂O₇/Ag₂O，BiOBr/BiOCl，Bi₂WO₆，但是，它们仅仅能够响应可见或者近红外光区域。专利申请(CN103272584A)公开了一种全谱光催化剂及其制备方法，Bi₂WO₆/TiO₂复合光催化剂在紫外、可见及近红外光照射下均展现了良好的活性。但是，在红外光照射下的活性有点低，仅仅为70％左右。专利申请(CN104353454A)公开了紫外、可见及红外光催化剂氧化银的制备方法，该氧化银光催化剂在紫外、可见及近红外光照射下均具有优良的活性。但是，在光照过程中，氧化银容易发生光化学腐蚀，导致活性降低，稳定性差。因此，探索高效全光谱响应的光催化剂，仍是一大挑战。

CuS具有独特的光、电以及物理化学特性，其禁带宽度1.7-2.0eV，能够作为一种有潜力的光催化剂，同时被广泛应用于太阳能电池、锂离子电池等领域。专利申请(CN103752329A；CN105502475A；CN103638950A)公开了CuS光催化剂及其制备方法，表现出优秀的光催化活性和良好的循环稳定性。但是，光催化过程中光生载流子的复合，仍能导致CuS的催化活性比较低，限制了其实际应用。构筑半导体复合材料是一种拓展光吸收和促进光生载流子转移和分离的有效方法。CuS基复合光催化剂被报道展现了良好的活性。石墨烯是一种典型的二维层状材料，具有比表面积高、独特的光电学特性、良好的化学稳定性等优点，因此被看作是理想的半导体支撑材料。石墨烯具有高的表面积，在光催化反应过程中可以提供更多的活性位点。特别是，石墨烯独特的网状结构和良好的电导率，可以延长光生载流子的寿命，从而抑制其复合，进而达到增强光催化活性的目的。因此，在CuS中耦合石墨烯，形成CuS/石墨烯复合光催化剂，是一种简单有效的开发高效全光谱响应光催化剂的措施。然而，到目前为止，有关CuS及其复合物用于光催化的报道(Langmuir 2012,28,12893；RSC Advance 2014,4,63447；Journal of Environmental Chemical Engineering 2016,4,4600；Journal of Physics and Chemistry of Solids 2017,103,201；Materials Letters 2014,126,220)，都仅仅针对可见光区域，对于全光谱(紫外、可见及红外光)响应的CuS/石墨烯复合光催化剂，还鲜有报道。