一种基于硫化镉/硫化镍/二硫化三镍三相复合材料的自支撑光阳极的制备方法

摘要

本发明公开了一种基于泡沫镍基底的硫化镉/硫化镍/二硫化三镍复合材料的制备方法并将其作为光电化学分解水中的制氧催化剂的应用。本发明主要通过一步水热法合成了硫化镉/硫化镍/二硫化三镍复合材料，在经过乙醇清洗，氮气烘干之后即可直接作为光阳极使用。本发明主要应用于光电化学水分解，采用线性扫描曲线(极化曲线)检测合成的硫化镉/硫化镍/二硫化三镍复合材料的催化活性的大小。并用电流‑电压曲线对硫化镉/硫化镍/二硫化三镍复合材料在光照下的稳定性进行了测试。本发明充分利用了硫化镉/硫化镍/二硫化三镍中的硫化镉与两种镍的硫化物的协同作用，提高了硫化镉在光电化学分解水中的稳定性，便于催化剂经过长时间的光照后仍然持续分解水。

说明书

技术领域

本发明属于清洁可持续新型能源制备应用领域，特别涉及一种基于泡沫镍基底的硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米颗粒复合材料及其应用。

背景技术

伴随着世界经济的高速发展，传统能源如石油、天然气等过度消耗以及使用传统能源所引起的环境问题制约着当今社会快速有效的进一步发展。而太阳光是一种取之不尽，用之不竭的天然能源，那么有效的将太阳光转化为化学能源成为重中之重。自从1979年，A和B发现二氧化钛在光照条件下可以有效的分解水，越来越多的科学家致力于发现光电化学分解水的催化剂并将其改性，使之有更高的光电转化效率和更好的稳定性。传统的光阳极材料例如二氧化钛，氧化锌，这些材料虽然具有较好的光电催化性质，但是因为其较宽的带隙，导致其无法吸收占据太阳能大部分的可见光，这就限制了其对太阳光的利用效率。

硫化镉是一种典型的过渡金属硫族化合物，具有六方纤锌矿结构，只有2.4ev的带隙宽度，所需激发能量小，经常被用作可见光的吸光材料。但是目前硫化镉存在两个不可忽视的问题。第一，经过光激发生成的电子和空穴复合速率过快，极大的限制了硫化镉光阳极的光电转化效率。第二，由于硫化镉自身存在硫空位，导致光激发产生的空穴直接与硫化镉自身反应造成光腐蚀。因此，在有效的利用硫化镉的光电转化性质的同时又能提高它的稳定性成为了目前急需解决的问题。硫化镉/硫化镍复合材料的制备已被报道应用于光催化制氢，燃料敏化太阳能电池等方面。到目前为止，通过一步水热法，在泡沫镍上直接生长硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米颗粒复合材料，并且应用于光阳极分解水还未被报道过。

本发明是针对现有技术的不足，提供一种基于泡沫镍基底的硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米颗粒复合材料。并应用于光阳极分解水的领域。该复合材料具有制备简单，光电流高，稳定性好等特点。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，一种基于硫化镉/硫化镍/二硫化三镍三相复合材料的自支撑光阳极的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于硫化镉/硫化镍/二硫化三镍三相复合材料的自支撑光阳极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将0.153g醋酸镉粉末，0.168g硫脲粉末，0.036gCTAB，通过超声均匀的分散在20ml水溶液中。

(2)将167μl盐酸(12M)逐滴加入步骤(1)所得溶液，超声十分钟，形成混合溶液。

(3)将泡沫镍(1*3cm²)和上述混合溶液一起放入反应釜中，并在180摄氏度下反应5h，泡沫镍变成黑色，既得到复合材料。

(4)将步骤三中所得到的产物用去离子水，乙醇依次清洗，然后在氮气条件下吹干，得到基于硫化镉/硫化镍/二硫化三镍三相复合材料的自支撑光阳极。

本发明的有益效果是：通过简单的一步水热法合成了基于泡沫镍基底的硫化镉/硫化镍/二硫化三镍复合材料，并将其用作光电化学催化分解水的光阳极。在催化活性方面，由于硫化镉与硫化镍，硫化镉与二硫化三镍形成异质结，两种为P型半导体的镍的硫化物可成功的导出N型半导体硫化镉中的空穴，降低了硫化镉的光腐蚀，因此在极大程度上提高了硫化镉稳定性。

附图说明

图1是本发明制备的三维硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米颗粒复合材料扫描电子显微镜图片(SEM)。

图2是本发明制备三维硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米颗粒复合材料高分辨透射电子显微镜图片(HRTEM)。

图3是本发明制备三维硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米颗粒复合材料在1M氢氧化钾溶液中光电化学制氧的极化曲线(Polarization curves)。

图4是本发明制备三维硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米颗粒复合材料在1M氢氧化钾溶液中的稳定性测试曲线(Durability test)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。

实施例1：本实施例制备三维硫化镍/二硫化三镍/硫化镉纳米复合材料，具体包括以下步骤：

(1)将0.153g醋酸镉粉末，0.168g硫脲粉末，0.036gCTAB，通过超声均匀的分散在20ml水溶液中。

(2)将167μl盐酸(12M)逐滴加入步骤(1)所得溶液，超声十分钟，形成混合溶液。

(3)将泡沫镍(1*3cm²)和上述混合溶液一起放入反应釜中，并在180摄氏度下反应5h，泡沫镍变成黑色，即得到复合材料。

图1为本发明制备的硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米复合材料的扫描电子显微镜图(SEM),从图中可以看出，这种硫化镉/硫化镍/二硫化三镍是以一种小颗粒的形式均匀的分布在泡沫镍上，在泡沫镍被硫化的同时将镉离子插入，与硫化镍/二硫化三镍形成异质结，并维持了泡沫镍本身三维的立体结构。并可以看出，小颗粒的尺寸都在500nm-1μm之间。图2本发明制备的硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米复合材料的高分辨透射电子显微镜图(H RTEM)。从图中可以看出，硫化镍和硫化镉，二硫化三镍和硫化镉均是以一种小异质结的方式相结合，在界面处完美的匹配。本发明通过这种一步法成功的合成了一种硫化镉/硫化镍/二硫化三镍的异质结纳米复合材料，通过界面的完美匹配、P型-N型半导体的结合，成功的将硫化镉中的多余空穴转移到硫化镍/二硫化三镍上，大大降低了硫化镉的光腐蚀速率，提高了基于泡沫镍的硫化镉光阳极的稳定性。

实施例2：将实施例1得到的基于泡沫镍的光阳极直接用作光电化学制氧，测试溶液为1M氢氧化钾，光照为可见光(>420nm)。所制备的电极为工作电极、Ag/AgCl电极为参比电极、Pt片为对电极组成三电极体系。在做电化学测试之前，通入饱和氮气达到饱和，除去本发明制备的三维硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米复合材料的极化曲线(Polarization curves)，从图中可以看出当电压为1V时，电流密度达到了～3mA/cm²。图4为本发明制备的三维硫化镉/硫化镍/二硫化三镍的稳定性测试曲线(Durability>

本发明方法制备的三维硫化镉/硫化镍/二硫化三镍纳米复合材料的制备方法简单，重复性高，可操作性强。作为一种新型的光电化学制氧催化剂，表现出了极好的催化稳定性。相对于传统的降低硫化镉光腐蚀的方法，这一方法效率高且普适性强。