一种双功能Z型CdS/PbTiO3光催化剂的制备方法及其应用

本发明属于太阳能转换、光催化降解领域。

背景技术：

1、光催化被认为是解决能源和环境问题的一种清洁和可持续手段，但这项技术的应用仍面临着巨大的挑战，其中最为关键的是缺乏活性位点和低电荷分离效率。而z型异质结的构建可以有效解决这些难题进而提高光催化能力，通常选择两种具有不同费米能级的材料来构建z型异质结，由于存在费米能级差电子发生迁移，诱导界面形成内建电场来实现电荷有效分离，最终保留高的氧化和还原电位使其具备出色的光催化活性。通过把窄带隙半导体引入z型光催化系统中，材料体系可以拓宽光吸收范围、提高光利用效率以及降低光生电子-空穴复合率，最终提升光催化效率，这种体系也是目前太阳能转换材料的研究热点。

2、硫化镉（cds）具有宽光谱太阳光响应特性和高活性的析氢反应位点，同时导带边缘比h+/h2的还原电位负很多使其能够进行诸如光解水制氢、二氧化碳还原以及毒害重金属离子降解等反应，此外其制备方法简便，价格低廉等优点在半导体中脱颖而出。但介于其易被光腐蚀，光生电荷易重组等缺点，通常将cds与其他半导体材料复合构建异质结来解决这些难题。巧合的是，钛酸铅（pbtio3）是具有优异稳定性的氧化型光催化剂，其适当的费米能级和带隙结构与cds结合恰可形成z型异质结构，同时具有自发极化的钛酸铅可以提供强大的极化电场来驱动体相的光生电荷有效分离，是当前光催化领域很有研究潜力的材料体系。

3、综上，本发明提出一种双功能z型cds/pbtio3光催化剂的制备方法，通过简单的二次水热法制备出的cds纳米颗粒和pbtio3微米板紧密结合生长的cds/pbtio3异质结复合材料。该异质结复合材料具备z型结构，可以显著提升复合材料的太阳光吸收能力，同时具备充足的反应活性位点和高效电荷分离能力。本发明借助简单的合成方法制备出具有紧密结合的异质结复合材料，丰富且高质量的异质结界面为电荷的分离提供了重要的路径，最终实现了复合材料优异的催化活性。

技术实现思路

1、本发明涉及解决光催化剂的高质量绿色制备、提升太阳能转换效率及双功能特性开发的技术难题，从而提出一种新型异质结复合材料及其合成策略。为解决上述问题，本发明中一种双功能z型cds/pbtio3光催化剂的制备方法是通过下述步骤完成的。

2、步骤一、分别将氢氧化钾、二氧化钛(p25)和硝酸铅依次溶于去离子水中，充分搅拌后将溶液转移到聚四氟乙烯内衬的反应釜中加热，冷却后洗涤并真空干燥，得到pbtio3固体粉末。

3、步骤二、将步骤一制得的pbtio3粉末分散在去离子水中，加入四水合硝酸镉并充分搅拌后加入硫脲，剧烈搅拌后将溶液转移至反应釜加热反应，冷却后洗涤并干燥，得到cds/pbtio3复合材料的固体粉末。

4、进一步限定，步骤一中将0.32~0.48 g二氧化钛、1.65~2.48 g硝酸铅和8.06~12.09 g氢氧化钾溶于30 ml去离子水中。

5、进一步限定，步骤一中搅拌溶解时间为20 h。

6、进一步限定，步骤一中溶剂热反应温度为160~240 ℃，反应时间为10~14 h。

7、进一步限定，步骤一中在60 ℃下真空干燥12 h。

8、进一步限定，步骤二中将240~360 mg pbtio3粉末、101.12~459.00 mg四水合硝酸镉、31.04~141.57 mg硫脲加入30 ml去离子水。

9、进一步限定，步骤二中搅拌时间为1.5 h。

10、进一步限定，步骤二中水热反应温度为120~180 ℃，反应时间为10~14 h。

11、进一步限定，步骤二中在60 ℃下真空干燥12 h。

12、本发明方法制备的光催化剂借助pbtio3的铁电自发极化特性在cds纳米颗粒水热原位生长阶段，使其选择性生长在pbtio3微米片的极化面上，形成内建电场增强型的双功能z型cds/pbtio3光催化剂。本发明提供了一种双功能、高效率异质结光催化剂及其制备方法，简单的原位生长实现了材料组分界面充分接触，高质量的接触表面提供了良好的载流子转移通道，使得异质结数量和质量大幅提升，pbtio3铁电极化内建电场与复合材料z型异质结内建电场的协同效应最终使催化活性也明显增强，进而实现复合材料的多功能特性和高效太阳能转换效率。

技术特征：

1.一种双功能z型cds/pbtio3光催化剂的制备方法及其应用，其特征在于所述制备方法是通过下述步骤完成的：步骤一、将氢氧化钾在蒸馏水中搅拌溶解，依次将二氧化钛(p25)和硝酸铅投入其中，充分搅拌后将溶液转移到聚四氟乙烯内衬的反应釜中加热，冷却至室温后多次洗涤并在真空干燥箱内干燥，得到pbtio3粉末；步骤二、将步骤一获得的pbtio3粉末在去离子水中剧烈搅拌分散，据cds与pbtio3的重量比加入一定量的四水合硝酸镉，充分搅拌后加入硫脲，剧烈搅拌后水热处理并洗涤、干燥，得到双功能z型cds/pbtio3光催化剂。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤一中将0.32~0.48 g二氧化钛、1.65~2.48g硝酸铅和8.06~12.09 g氢氧化钾溶于30 ml去离子水中。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤一中搅拌溶解时间为20 h。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤一中溶剂热反应温度为160~240 ℃，反应时间为10~14 h。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤一中在60 ℃下真空干燥12 h。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤二中将240~360 mg pbtio3粉末、101.12~459.00 mg四水合硝酸镉、31.04~141.57 mg硫脲加入30 ml去离子水。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤二中搅拌时间为1.5 h。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤二中水热反应温度为120~180 ℃，反应时间为10~14 h。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤二中在60 ℃下真空干燥12 h。

技术总结
一种双功能Z型CdS/PbTiO3光催化剂的制备方法及其应用，属于太阳能转换、光催化降解领域。本发明致力于开发光催化剂的多功能特性、解决高质量绿色制备以及提升太阳能转换率的技术难题。本发明方法：一、依次将氢氧化钾、二氧化钛(P25)和硝酸铅溶于去离子水中，搅拌溶解后转移到反应釜中加热反应，冷却至室温后取出离心、洗涤、干燥，得到PbTiO3粉末；二、将步骤一制备的PbTiO3粉末分散在去离子水中，在溶液中加入四水合硝酸镉剧烈搅拌溶解后，继续将硫脲加入上述溶液中，充分搅拌后转移到反应釜中加热反应。冷却至室温后取出离心、洗涤、干燥，得到稳定的双功能Z型CdS/PbTiO3光催化剂复合材料。

技术研发人员：王姝,郜健,刘玉普,杨灯辉,张辉
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12