一種基于硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳三相復合材料的自支撐光陽極的制備方法與流程

本發明屬于清潔可持續新型能源制備應用領域，特別涉及一種基于泡沫鎳基底的硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米顆粒復合材料及其應用。

背景技術：

伴隨著世界經濟的高速發展，傳統能源如石油、天然氣等過度消耗以及使用傳統能源所引起的環境問題制約著當今社會快速有效的進一步發展。而太陽光是一種取之不盡，用之不竭的天然能源，那么有效的將太陽光轉化為化學能源成為重中之重。自從1979年，A和B發現二氧化鈦在光照條件下可以有效的分解水，越來越多的科學家致力于發現光電化學分解水的催化劑并將其改性，使之有更高的光電轉化效率和更好的穩定性。傳統的光陽極材料例如二氧化鈦，氧化鋅，這些材料雖然具有較好的光電催化性質，但是因為其較寬的帶隙，導致其無法吸收占據太陽能大部分的可見光，這就限制了其對太陽光的利用效率。

硫化鎘是一種典型的過渡金屬硫族化合物，具有六方纖鋅礦結構，只有2.4ev的帶隙寬度，所需激發能量小，經常被用作可見光的吸光材料。但是目前硫化鎘存在兩個不可忽視的問題。第一，經過光激發生成的電子和空穴復合速率過快，極大的限制了硫化鎘光陽極的光電轉化效率。第二，由于硫化鎘自身存在硫空位，導致光激發產生的空穴直接與硫化鎘自身反應造成光腐蝕。因此，在有效的利用硫化鎘的光電轉化性質的同時又能提高它的穩定性成為了目前急需解決的問題。硫化鎘/硫化鎳復合材料的制備已被報道應用于光催化制氫，燃料敏化太陽能電池等方面。到目前為止，通過一步水熱法，在泡沫鎳上直接生長硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米顆粒復合材料，并且應用于光陽極分解水還未被報道過。

本發明是針對現有技術的不足，提供一種基于泡沫鎳基底的硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米顆粒復合材料。并應用于光陽極分解水的領域。該復合材料具有制備簡單，光電流高，穩定性好等特點。

技術實現要素：

本發明是針對現有技術的不足，一種基于硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳三相復合材料的自支撐光陽極的制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種基于硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳三相復合材料的自支撐光陽極的制備方法，包括以下步驟：

(1)將0.153g醋酸鎘粉末，0.168g硫脲粉末，0.036gCTAB，通過超聲均勻的分散在20ml水溶液中。

(2)將167μl鹽酸(12M)逐滴加入步驟(1)所得溶液，超聲十分鐘，形成混合溶液。

(3)將泡沫鎳(1*3cm²)和上述混合溶液一起放入反應釜中，并在180攝氏度下反應5h，泡沫鎳變成黑色，既得到復合材料。

(4)將步驟三中所得到的產物用去離子水，乙醇依次清洗，然后在氮氣條件下吹干，得到基于硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳三相復合材料的自支撐光陽極。

本發明的有益效果是：通過簡單的一步水熱法合成了基于泡沫鎳基底的硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳復合材料，并將其用作光電化學催化分解水的光陽極。在催化活性方面，由于硫化鎘與硫化鎳，硫化鎘與二硫化三鎳形成異質結，兩種為P型半導體的鎳的硫化物可成功的導出N型半導體硫化鎘中的空穴，降低了硫化鎘的光腐蝕，因此在極大程度上提高了硫化鎘穩定性。

附圖說明

圖1是本發明制備的三維硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米顆粒復合材料掃描電子顯微鏡圖片(SEM)。

圖2是本發明制備三維硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米顆粒復合材料高分辨透射電子顯微鏡圖片(HRTEM)。

圖3是本發明制備三維硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米顆粒復合材料在1M氫氧化鉀溶液中光電化學制氧的極化曲線(Polarization curves)。

圖4是本發明制備三維硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米顆粒復合材料在1M氫氧化鉀溶液中的穩定性測試曲線(Durability test)。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步說明本發明的技術解決方案，這些實施例不能理解為是對技術解決方案的限制。

實施例1：本實施例制備三維硫化鎳/二硫化三鎳/硫化鎘納米復合材料，具體包括以下步驟：

(1)將0.153g醋酸鎘粉末，0.168g硫脲粉末，0.036gCTAB，通過超聲均勻的分散在20ml水溶液中。

(2)將167μl鹽酸(12M)逐滴加入步驟(1)所得溶液，超聲十分鐘，形成混合溶液。

(3)將泡沫鎳(1*3cm²)和上述混合溶液一起放入反應釜中，并在180攝氏度下反應5h，泡沫鎳變成黑色，即得到復合材料。

圖1為本發明制備的硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米復合材料的掃描電子顯微鏡圖(SEM),從圖中可以看出，這種硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳是以一種小顆粒的形式均勻的分布在泡沫鎳上，在泡沫鎳被硫化的同時將鎘離子插入，與硫化鎳/二硫化三鎳形成異質結，并維持了泡沫鎳本身三維的立體結構。并可以看出，小顆粒的尺寸都在500nm-1μm之間。圖2本發明制備的硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米復合材料的高分辨透射電子顯微鏡圖(H RTEM)。從圖中可以看出，硫化鎳和硫化鎘，二硫化三鎳和硫化鎘均是以一種小異質結的方式相結合，在界面處完美的匹配。本發明通過這種一步法成功的合成了一種硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳的異質結納米復合材料，通過界面的完美匹配、P型-N型半導體的結合，成功的將硫化鎘中的多余空穴轉移到硫化鎳/二硫化三鎳上，大大降低了硫化鎘的光腐蝕速率，提高了基于泡沫鎳的硫化鎘光陽極的穩定性。

實施例2：將實施例1得到的基于泡沫鎳的光陽極直接用作光電化學制氧，測試溶液為1M氫氧化鉀，光照為可見光(>420nm)。所制備的電極為工作電極、Ag/AgCl電極為參比電極、Pt片為對電極組成三電極體系。在做電化學測試之前，通入飽和氮氣達到飽和，除去本發明制備的三維硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米復合材料的極化曲線(Polarization curves)，從圖中可以看出當電壓為1V時，電流密度達到了～3mA/cm²。圖4為本發明制備的三維硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳的穩定性測試曲線(Durability test)，從圖中可以看出持續光照2000s后，其在電位為1v的電流密度仍然保持了70％，表現出了較高的穩定性。

本發明方法制備的三維硫化鎘/硫化鎳/二硫化三鎳納米復合材料的制備方法簡單，重復性高，可操作性強。作為一種新型的光電化學制氧催化劑，表現出了極好的催化穩定性。相對于傳統的降低硫化鎘光腐蝕的方法，這一方法效率高且普適性強。