本技术介绍了一种制备硫化镉/硒化镉/氮化钛二维结构光电催化材料的方法。该方法首先通过水热法在导电玻璃上形成二维硫化镉纳米片阵列,随后采用连续离子层吸附反应技术进行后续处理。
背景技术
随着城市化和工业化的不断发展,地球上传统的化石燃料逐渐被消耗,不仅引发了能源危机,也造成了严重的环境问题。因此,寻找可再生的替代能源至关重要。在这些能源中,氢气(H2
)具有高燃烧热值和环境友好的特性,被认为是解决日益增长的能源需求和环境挑战最有希望的候选者之一。在各种制氢技术中,半导体光电催化分解水技术因其能够直接利用太阳能生产绿色氢气而引起世界各国的广泛关注。目前,此技术的关键挑战之一就是合理设计和制备高效、稳定的半导体光阳极材料。
硫化镉(CdS)作为一种具有可见光响应的n型半导体,由于其制备成本低、禁带宽度合适、导带电位理想(有利于将H+
还原为H2
)等优势,被认为是可用作光电催化分解水的理想光阳极材料之一。目前,多种尺寸和形貌的CdS纳米结构已作为光阳极被用于光电催化水分解制氢的研究中。在这些纳米结构中,二维CdS纳米结构,尤其是生长于导电基底的二维纳米片阵列,具有较高的比表面积可以提供更多的反应活性位点来进行光电催化分解水反应,而且超薄的二维纳米片状结构可以缩短光生载流子的传输路径。因此,与一维CdS纳米结构相比较,二维CdS纳米结构表现出更优异的光电催化性能。然而,单一组分的CdS光阳极只能吸收波长小于520 nm(光子能量高于2.4 eV)的太阳光,导致其太阳能利用效率低。同时,CdS光阳极内部的光生载流子容易复合,导致其光-氢转换效率低。此外,CdS光阳极中光生空穴的积累会引起S2-
的自氧化,导致其在光照时发生光腐蚀,从而限制了CdS光阳极在光电催化分解水制氢领域的应用。
针对上述问题,从提高太阳能利用率和光生载流子分离效率的角度出发,一方面,可以将禁带宽度更窄的n型半导体硒化镉(CdSe)与CdS结合,构建具有type-II型能级匹配的异质结构,形成了有利于光生电子从CdSe向CdS的迁移以及光生空穴从CdS向CdSe的迁移的光生载流子定向传输通道,从而加速光生载流子的分离与转移,大幅减少光生载流子的复合。同时,CdSe具有较窄的禁带宽度(约为1.9 eV),可以有效增强异质结构的光吸收能力,提高太阳能利用率,进而提升异质结构的光电催化性能。另一方面,可以用金属纳米颗粒修饰半导体光阳极,利用金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应调控光吸收范围和提供热电子注入,增加光电子数量;在金属与半导体界面处形成的肖特基结,抑制光生载流子复合,延长载流子寿命,以进一步提高光阳极的光电催化性能。然而,目前应用较多的等离子体金、银等贵金属纳米颗粒虽然具有较强的表面等离子体共振效应,但其稀缺性和高成本限制了传统等离子体光阳极材料的实际应用。氮化钛(TiN)作为一种具有类金属特性的过渡金属氮化物,其制备成本低,具有良好的化学稳定性,并且在可见至近红外波长范围内具有宽光谱的表面等离子体共振特性,是贵金属等离子体的一种很有前途的替代材料。鉴于TiN这些独特的优点,目前已被用于修饰半导体光阳极材料来构建异质结构光阳极,用于光电催化和光催化水分解制氢。但遗憾的是,据我们所知,目前还没有关于CdS/CdSe/TiN二维结构光电催化材料用于光电催化分解水制氢的相关报道。
实现思路