[发明专利]一种石墨烯/硫化铜锌花状微米球超结构可见光催化剂的制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/硫化铜锌花状微米球超结构可见光催化剂的制备方法。它包括如下步骤：(1)在去离子水中加入氧化石墨烯GO、可溶性的锌盐及可溶性的铜盐，超声分散，得混合液A；(2)在混合液A中加入硫脲，搅拌溶解后，得混合液B；(3)在混合液B中加入戴帽剂聚乙二醇600，搅拌均匀，得混合液C；(4)将混合液C在140～180℃下水热处理8～12小时，然后，分离洗涤，干燥后得石墨烯/硫化铜锌花状微米球超结构可见光催化剂。本发明制备的产品复合效果好，抗光腐蚀能力强，比表面积大，光生电子‑空穴对容易分离，可见光光催化活性高。该方法具有生产工艺简单、反应参数容易控制、绿色环保、实施成本低等优点。

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备，特别涉及一种采用水热法制备石墨烯/硫化铜锌花状微米球超结构可见光催化剂的方法。

背景技术

随着世界各国的工业化和城市化，能源危机和环境污染日趋严重，使用光催化剂来去除空气和废水中的具有毒性且不可生物降解的环境污染物，不但能将污染物彻底降解成无毒无害的无机小分子，而且具有能充分利用太阳能、催化剂能循环使用的优点，该方法是一种绿色环保的方法。

传统的TiO₂光催化剂由于具有氧化能力强、化学性质稳定且无毒、光催化活性较高等优点而受到人们的关注，但其相对较宽的带隙(3.2eV)会抑制其光谱响应范围，只有波长小于387nm的紫外光才能使之激发而产生光催化作用，但是，紫外光只占太阳光很少的一部分，并且其光生电子-空穴对的快速复合也限制了其光催化效率，阻碍其实际应用。因此，研究对可见光吸收能力强、电子-空穴对分离效果好、光催化效率高的新型可见光光催化材料就显得尤为重要。

CuS作为重要的p型半导体材料，对可见光具有较高的吸收能力。然而，CuS具有光生电子-空穴对容易复合和对光稳定性差的缺陷，阻碍了其在光催化领域中的实际应用，但若在其中掺入其它金属离子制备成多元金属硫化物则能提高其稳定性。因此，本发明通过二个方法来克服CuS在光催化应用上的上述缺点，且力求避免有机溶剂的大量使用从而提升环保性和实现成本的控制，其一是将其与石墨烯复合来提高光生电子-空穴对的分离效果；其二是在CuS中掺入Zn²⁺，制备成多元金属硫化物Zn_xCu_1-xS来提高其稳定性。

由于Zn²⁺与Cu²⁺具有相近的离子半径(Zn²⁺与Cu²⁺的离子半径分别为和)，若在CuS中掺入Zn²⁺，Zn²⁺即能取代六方相CuS晶体中的Cu²⁺而形成取代固溶体Zn_xCu_1-xS(硫化铜锌)，这样不但能提高CuS的稳定性，而且还能提高其能带间隙(其对光的吸收仍然在可见光范围)，使其对污染物的氧化降解能力更强。另外，由于Zn²⁺的最低未占据分子轨道(LUMO)的能级高于Cu²⁺，Zn²⁺可以充当“浅电子陷阱”，能提高Zn_xCu_1-xS纳米晶中光生电子和空穴的寿命，从而提高其光催化效率。

石墨烯是一种新型的二维(2D)碳材料，因其独特的性能(例如比表面积大、电导率高和导热性能出色)而备受关注。由于其共轭大π键的存在使得电子容易自由移动，因此其拥有高的电子迁移率(200000cm²·V^-1·s^-1)，可以构建光生电子跨复合材料界面的优化传输路径，从而抑制光生电子-空穴对的复合，提高半导体材料的光催化活性。其次，石墨烯作为半导体颗粒均匀分散的基质可以确保复合光催化剂的大的比表面积以提供更多的反应位点，从而导致光催化活性增加。