磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴构建肖特基异质结光催化剂及其在制氢中的应用

本发明属于光催化，具体涉及磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴构建肖特基异质结光催化剂及其在制氢中的应用。

背景技术：

1、随着社会的不断进步以及工业的快速发展，人们对于化石燃料过度依赖所带来的能源危机和环境问题正逐渐显现。因此，寻求清洁、高效、可持续的绿色以能源替代传统化石能源，成为科研工作者们共同追逐的目标。由于氢气具有高能量密度、绿色环保、可再生、资源丰富等优点，太阳取之不尽用之不竭，因此将太阳能转化为氢气是一项很有前景的太阳能转化技术已成为科学工作者的共识。受自然界中植物的光合作用的启发，人们提出了基于半导体材料的光催化分解水制氢技术。在过去几十年的发展中，数百种半导体材料被开发出来，特别是以cds、zns、g-c3n4、tio2、zno、bivo4等为代表的半导体光催化材料在绿色能源领域得到了长足发展。

2、硫化镉(cds)因其较窄的带隙、合适的价带和导带位置以及良好的光响应能力，是众多金属硫化物中理想的半导体光催化剂。cds的禁带宽度为2.4ev，可以吸收波长小于520nm的太阳光，同时它的导带和价带位置也符合水分解所需要的电位，因而能够满足光催化裂解水制氢的要求。但纯cds依旧存在本征缺陷，比如可见光吸收能力不足、活性位点较少、光生载流子分离度不够高、反应过程中易团聚。最重要的是，光生空穴往往在cds表面聚集导致其光腐蚀。为了提高cds的光催化制氢效率，人们采用形貌调控、元素掺杂、异质结构建、助催化剂负载等手段，提高其可见光吸收能力、促进光生电荷有效分离、调整能带结构以及调节局部电子结构来优化其反应动力学，从而提高其光催化分解水制氢的活性。如，li等人采用湿化学沉淀结合水热法成功地将n原子引入到cds的晶格中，从而制备了一种n掺杂的cds光催化剂。n原子的引入有效地抑制了光生载流子的复合，使其光电流密度提高了两倍，显著改善了光生载流子利用率。在模拟日光下，优化后的n-cds光催化剂的制氢速率约为3983.4μmol·h-1·g-1，是纯cds的9倍(li w,wang f,liu x,et al.,promotingbodycarriers migration of cds nanocatalyst by n-doping for improved hydrogenproduction under simulated sunlight irradiation[j].appl.catal.b-environ.,2022,313:121470)。yang等人采用静电自组装和水热相结合的方法，将cds纳米棒锚定在超薄ti3c2纳米片上，成功地制备了cds/ti3c2肖特基异质结光催化剂。由于cds/ti3c2肖特基异质结具备紧密的接触界面、改善的可见光响应以及光生电子-空穴的有效分离，优化后光催化剂的制氢速率达到2407μmol·h-1·g-1，是单纯cds的7倍(xiao r,zhao c,zou z,etal.,in situ fabrication of 1d cds nanorod/2d ti3c2mxene nanosheet schottkyheterojunction toward enhanced photocatalytic hydrogen evolution[j].appl.catal.b-environ.,2020,268:118382)。上述研究表明，元素掺杂和异质结构建都能够改善可见光吸收和促进光生载流子分离，在一定程度上提高cds的光催化制氢性能。然而，单一的改性手段对cds光催化活性的提升是有限的，导致其光催化制氢效率仍然不理想。可以预测，采用元素掺杂和异质结构建相结合的策略有望进一步提升cds的光催化制氢活性。

3、基于上述分析，本发明采用简单的水热-煅烧策略在磁性镍离子掺杂硫化镉纳米棒表面原位生长磷化钴纳米颗粒，得到磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴肖特基异质结光催化剂，其能够高效地进行光催化裂解水制氢反应，具备潜在的实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种制备方法简单可控、成本低、性能优异，具有良好应用前景的磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴肖特基异质结光催化剂(ni-cds@cop)。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、称取200mg自制的ni-cds加入50ml去离子水中，超声分散后按co(no3)2·6h2o与ni-cds的质量百分比为9.75％～29.25％向其中加入co(no3)2·6h2o，搅拌至其完全溶解后向其中加入1mlnh3·h2o，继续搅拌至沉淀完全，离心分离、洗涤、干燥得到沉淀，然后将得到的沉淀与nah2po2·h2o按1:5的质量比混合、研磨，并将研磨后的混合物转移至管式炉中，在氩气气氛下以3℃/min的速率升温至280℃～300℃并保温2h，完成磷化，洗涤、干燥产物，得到磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴肖特基异质结光催化剂(ni-cds@cop)。

技术特征：

1.磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴构建肖特基异质结光催化剂及其在制氢中的应用，其特征在于，该光催化剂通过以下方法制得：称取200mg自制的磁性镍离子掺杂硫化镉(ni-cds)加入到50ml去离子水中，超声分散后向其中加入co(no3)2·6h2o，搅拌至其完全溶解后向其中加入1mlnh3·h2o，继续搅拌至沉淀完全，离心分离、洗涤、干燥得到沉淀，然后将得到的沉淀与nah2po2·h2o按1:5的质量比混合、研磨，并将研磨后的混合物转移至管式炉中，在氩气气氛下磷化，洗涤、干燥产物，得到磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴肖特基异质结光催化剂(ni-cds@cop)。

2.根据权利要求1中所述的磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴构建肖特基异质结光催化剂及其在制氢中的应用，其特征在于，co(no3)2·6h2o与ni-cds的质量百分比为9.75％～29.25％，在氩气气氛下磷化时升温速率为3℃/min，磷化温度为280℃～300℃，保温时间为2h。

3.根据权利要求1中所述的磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴构建肖特基异质结光催化剂及其在制氢中的应用，其特征在于，富有自旋电子的磁性镍离子掺杂引起硫化镉内部偶极矩的增大，诱导自旋极化电场的产生，而且镍离子掺杂会增大ni-cds与cop之间的费米能级差，使内建界面电场增强，肖特基势垒提高，从而提高异质结中光生载流子的分离效率，并调节异质界面处活性位点的电子构型，加快析氢反应动力学。

4.根据权利要求1中所述的磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴构建肖特基异质结光催化剂及其在制氢中的应用，其特征在于，在可见光照射下，镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴肖特基异质结光催化剂光解水制氢速率最高可达42.14mmol·g-1·h-1。

技术总结本发明公开了磁性镍离子掺杂硫化镉复合磷化钴构建肖特基异质结光催化剂及其在制氢中的应用，属于光催化技术领域。本发明采用水热‑煅烧策略将磁性镍离子掺杂到硫化镉纳米棒中，并在磁性镍离子掺杂硫化镉纳米棒表面原位生长磷化钴纳米颗粒。富有自旋电子的磁性镍离子掺杂引起硫化镉内部偶极矩的增大，诱导自旋极化电场的产生，并且会增大镍离子掺杂硫化镉与磷化钴之间的费米能级差，使内建界面电场增强，肖特基势垒提高，从而提高异质结中光生载流子的分离效率，并调节异质界面处活性位点的电子构型，加快析氢反应动力学，实现催化剂光解水制氢性能的提高，在可见光下的制氢速率最高可达42.14mmol·g<supgt;‑1</supgt;·h<supgt;‑1</supgt;。本发明公开的催化剂制备工艺流程简单，操作简便，可控性强，更具应用前景。技术研发人员：李镇江,张新磊,吴霏,孟阿兰受保护的技术使用者：青岛科技大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10