一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种纳米材料，具体涉及一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料，还涉及其制备方法和应用，属于催化材料。

背景技术：

1、使用化石燃料所造成的环境影响已经被广泛关注，因此采取各种措施解决可再生能源生产问题，发展可持续社会。利用半导体光催化剂进行太阳能驱动水裂解以生产清洁和廉价的氢气被认为是最有前途的策略之一。二氧化钛的高活性、低成本、广泛可用性、低毒性和高抗光腐蚀性能使其成为应用最广泛的光阳极材料。然而，单一的二氧化钛材料在光阳极中因其较宽的带隙(约3.2ev)和与材料中光生载流子快速重组的影响，其光利用效率尚有待提高。通过构建异质结以提升半导体的光吸收能力与光生载流子分离能力是比较常用的手法。用于构建异质结的方法有分子束外延法、溅射法、气相沉积法及水热法、浸渍法等，前三种方法都需要较昂贵的器材，操作条件复杂，难以实现大规模制备。而水热法与浸渍法作为常用构建异质结的方法，具有操作方便，无需额外的仪器设备的优点，更符合大规模生产的要求。例如，jang等人(“hydrothermally obtained type-ii heterojunctionnanostructures of in2s3/tio2 for remarkably enhanced photoelectrochemicalwater splitting”,appl.catal.b.environ.295(2021),120276)通过水热分步制备了硫化铟掺杂的二氧化钛纳米棒阵列。shi等人(“metal-organic framework derived co3o4/tio2heterostructure nanoarrays for promote photoelectrochemical water splitting”,int.j.hydrog.energy 46(2021)24965–24976)采用浸渍法把氧化钴沉积于二氧化钛上。然而，现有复合材料性能均没有达到较好的光电催化性能。因此，开发一种高催化性能的纳米复合材料具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的是在于提供一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料。该材料具有较高的光生载流子分离效率，催化性能好，稳定性强，且催化时无需牺牲剂，电极回收方便。

2、本发明的第二目的是在于提供一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法。该方法简单，操作方便，成本低廉，适合工业规模化生产。

3、本发明的第三个目的是在于提供一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的应用。该材料能够大大提升光电催化电解水的效率，降低反应能耗。

4、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，该方法是将硫化铬粉末球磨后与有机溶剂混合并在不超过15℃条件下超声，得到硫化铬悬浮液；将所述硫化铬悬浮液以2500～5500rpm离心分离得到上清液，再将所述上清液以不低于8000rpm速度离心分离得到下层沉淀，所述沉淀经过洗涤，得到硫化铬纳米片；将所述硫化铬纳米片与分散剂混合形成硫化铬纳米片分散液，然后将负载二氧化钛纳米棒的fto电极浸渍硫化铬纳米片分散液后煅烧，即得。

5、在本发明中，先通过超声实现硫化铬的液相剥离，然后选择性离心分离得到性能较好的硫化铬纳米片，先以2500～5500rpm转速离心分离去除剥离程度较差的硫化铬，再采用8000rpm以上转速离心分离得到剥离程度较好且产量高的硫化铬纳米片；另外，通过简单的浸渍手段实现硫化铬与二氧化钛形成异质结材料，经过烧结使材料表面更好地接触，有利于形成电荷传输通道。

6、作为一个优选的方案，所述上清液以8000～11000rpm速度离心分离得到下层沉淀。

7、作为一个优选的方案，所述硫化铬粉末球磨至100μm以下。

8、作为一个优选的方案，所述球磨过程为：将硫化铬粉末与球磨球以及乙醇混合置于行星式球磨机中以200～250rpm速率球磨12～24h。

9、作为一个优选的方案，所述有机溶剂包括氮甲基吡咯烷酮和/或n,n-二甲基甲酰胺。较优选的有机溶剂为氮甲基吡咯烷酮。

10、作为一个优选的方案，所述有机溶剂与硫化铬粉末的液固比为200ml:0.2～1g。

11、作为一个优选的方案，所述超声过程中控制体系温度为5～15℃，进一步优选为5～10℃。超声过程中控制在较低温度进行可有效减缓材料的氧化。

12、作为一个优选的方案，所述分散剂包括乙醇、水、丙酮中至少一种。本发明分散剂也可采用其他较易挥发的溶剂。

13、作为一个优选的方案，所述分散剂与硫化铬纳米片的液固比为3ml:1～2mg，进一步优选为3ml:1～1.5mg。

14、作为一个优选的方案，所述浸渍过程为：室温下浸渍8～12h。

15、作为一个优选的方案，所述煅烧过程为：在保护气氛下，以3～5℃/min的速率升温至160～200℃后保温1～2h。所述保护气氛为氮气。

16、作为一个优选的方案，所述负载二氧化钛纳米棒的fto电极通过以下制备方法得到：将fto电极板的导电面朝下置于聚四氟乙烯内衬中，再加入钛前驱体溶液进行水热反应，得到导电面附有二氧化钛纳米棒的fto板；将所述导电面附有二氧化钛纳米棒的fto板置于马弗炉中煅烧，得到负载二氧化钛纳米棒的fto电极。

17、作为一个优选的方案，所述钛前驱体溶液的制备过程为：将钛酸四丁酯与酸溶液混合搅拌，得到钛前驱体溶液。所述酸溶液为盐酸。

18、本发明还提供了一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料，其是由上述方法制备得到。

19、作为一个优选的方案，所述硫化铬在异质结纳米材料中的含量为5～15wt％。

20、本发明还提供了一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的应用，其应用于光电催化电解水。

21、相比与现有技术，本发明具有以下有益效果：

22、(1)通过液相剥离法制备硫化铬纳米片，方法简单，过程易控，副产物少，大大降低制备成本；

23、(2)硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料具有优良的催化性能，稳定性强，其光生载流子分离效率高，可实现全波段太阳光谱的利用；

24、(3)将该异质结纳米材料用于电解水产氢氧时，能够大大提升光电催化电解水的效率，产氢产氧效果相较于单一材料提升显著；

25、(4)制备方法简单，成本低廉，适合工业规模化生产。

技术特征：

1.一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：将硫化铬粉末球磨后与有机溶剂混合并在不超过15℃条件下超声，得到硫化铬悬浮液；将所述硫化铬悬浮液以2500～5500rpm速度离心分离得到上清液，再将所述上清液以不低于8000rpm速度离心分离得到下层沉淀，所述沉淀经过洗涤，得到硫化铬纳米片；将所述硫化铬纳米片与分散剂混合形成硫化铬纳米片分散液，然后将负载二氧化钛纳米棒的fto电极浸渍硫化铬纳米片分散液后煅烧，即得。

2.根据权利要求1所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：所述硫化铬粉末球磨至100μm以下。

3.根据权利要求1或2所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：所述超声过程中控制体系温度为5～15℃。

5.根据权利要求1所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求1或5所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：所述浸渍过程为：室温下浸渍8～12h。

7.根据权利要求1所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：所述煅烧过程为：在保护气氛下，以3～5℃/min的速率升温至160～200℃后保温1～2h。

8.根据权利要求1、5或7所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的制备方法，其特征在于：所述负载二氧化钛纳米棒的fto电极通过以下制备方法得到：将fto电极板的导电面朝下置于聚四氟乙烯内衬中，再加入钛前驱体溶液进行水热反应，得到导电面附有二氧化钛纳米棒的fto板；将所述导电面附有二氧化钛纳米棒的fto板置于马弗炉中煅烧，得到负载二氧化钛纳米棒的fto电极。

9.一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料，其特征在于：由权利要求1～8任意一项所述的方法制备得到。

10.权利要求9所述的一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料的应用，其特征在于：应用于光电催化电解水。

技术总结
本发明公开了一种硫化铬与二氧化钛异质结纳米材料及其制备方法和应用。该方法是将硫化铬粉末球磨后与有机溶剂混合超声，得到硫化铬悬浮液；将所述硫化铬悬浮液以2500～5500rpm速度离心分离得到上清液，再将所述上清液以不低于8000rpm速度离心分离得到下层沉淀，所述沉淀经过洗涤，得到硫化铬纳米片；将所述硫化铬纳米片与分散剂混合形成硫化铬纳米片分散液，然后将负载二氧化钛纳米棒的FTO电极浸渍硫化铬纳米片分散液后煅烧，即得。该材料具有优异的光电催化性能，可显著提高光电催化裂解水速率。其方法简单，成本低廉，适合工业化生产。

技术研发人员：张也,苏文杰
受保护的技术使用者：南华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15