[发明专利]S型T-COF@CdS核壳异质结复合光催化材料及其制备和在光解产氢中的应用

说明书

本发明属于催化材料领域，具体公开了一种S型T‑COF@CdS核壳异质结复合光催化材料，具有核‑壳结构，其中，核为CdS纳米颗粒，壳为T‑COF多孔材料；核‑壳之间形成S型异质结结构；本发明还提供了所述的材料的制备方法。本发明创新地发现，所述的T‑COF和CdS存在特殊的物理、化学双适配协同性，其能够意外地形成S型核壳异质结。研究发现，该全新结构的材料具有良好的稳定性以及光驱动下的产氢活性。

技术领域

本发明属于光解产氢领域，具体涉及光解产氢的光催化材料。

背景技术

工业革命以来，随着重工业和制造业的蓬勃发展，人类社会对化石能源的需求日益增大。但地球上的化石能源十分有限，且其带来的环境污染问题日趋严重，因此，寻找一种绿色、清洁的可再生能源以替代现有的化石燃料迫在眉睫。在此情况下，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁可再生的自然资源，已成为化石燃料的一种极具前景的替代品。然而，太阳光到达地球表面的量不仅取决于地理位置、季节和时间，更难以以一种低成本的方式对其进行转换和储存。氢能凭借其高热值、环境友好、易于运输等特点成为公认的清洁能源，是太阳能潜在的能量载体。氢气可以通过直接燃烧或氢燃料电池释放能量，其唯一的副产物是清洁无污染的水。因此，利用太阳能光解水产氢是一种极具前景的光能转化方式。半导体光催化剂在这项技术中至关重要，通过设计、调控和改性，大多数半导体可以满足宽范围光吸收，有效电荷分离和迁移等要求。在过去的几十年中，已经对各种半导体(例如TiO₂，CdS，g-C₃N₄等)进行了充分的研究。

CdS作为带隙为2.4eV的无机半导体，被认为是利用太阳能产氢最有前途的材料之一。但CdS作为光催化剂有两个主要缺点，首先是CdS中光生电子/空穴对很容易复合，导致可见光催化活性低。其次CdS在光照条件下，价带上的空穴易与S²⁺反应，导致CdS被腐蚀，限制了其在实际中的大规模应用。如果能将CdS与合适的材料复合，使电子集中在CdS上发生还原反应生，而空穴集中在另一种材料上发生氧化反应，这不仅可以避免CdS被腐蚀，而且在一定程度上可以抑制光生电子和空穴的复合。

共价有机框架材料(COFs)作为一种有结晶性的多孔有机聚合物材料，不仅具有刚性规整的孔道结构，而且有超高的比表面积，为光催化反应提供了更多活性位点，同时有序规整的孔道结构可加快传质速率，缩短反应时间；(2)此外通过调整构筑单元，可以设计和调控COFs的拓扑结构、孔道大小和能带结构，以满足不同应用的需求；(3)COFs易于功能化，可通过“自上而下法”或后修饰法将特定功能的官能团嵌入到材料的骨架中，从而设计出适用性强、性能优异的COFs光催化剂；(4)COFs由共价键连接而成，具较高的热力学和化学稳定性，易于循环利用。但目前COFs作为光催化剂还面临着不少挑战，尤其是内部光生电子空穴对的复合率较高，降低了COFs材料的催化性能量子效率。

目前，CdS型材料主要是MOFs复合材料，COFs复合材料较少，为数不多的CdS-COFs复合材料也仅是常规物理混合的II-type异质结复合材料；该类材料的稳定性较差，材料的氧化还原能力较低。

发明内容

针对现有的技术中的不足，本发明的第一目的在于提供一种S型T-COF@CdS核壳异质结复合光催化材料(本发明也称为S型核壳异质结光催化剂)，旨在提供一种具有光吸收范围宽，具有大量孔道结构、且结合力强，稳定性好的S型核壳异质结光催化剂。

本发明的第二个目的是提供一个简易、温和、经济的制备方法用于上述S型核壳异质结光催化剂的制备。

本发明的第三个目的是将所所述的S型核壳异质结复合材料应用于光驱动下水分解产氢，旨在改善光催化产氢的稳定性以及产氢活性。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种S型T-COF@CdS核壳异质结复合光催化材料，具有核-壳结构，其中，核为CdS纳米颗粒，壳为T-COF多孔材料；所述的核-壳之间形成S型异质结结构；