一种CdS/TiO2/CdS半反转量子阱型纳米片及其制备方法和应用

本发明涉及光催化，尤其涉及一种cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，工业的快速发展和全球人口的不断上升造成严重的能源短缺和环境污染。基于半导体的光催化技术可以直接利用太阳能来生产有价值的化学燃料，如氢气和碳氢化合物燃料。因此，光催化被认为是一种具有重要能源和环境应用前景的绿色技术。在光催化反应中，光生载流子的分离效率是限制光催化活性的重要因素之一。为了解决这个问题，科研人员提出了多种策略来有效地转移半导体光催化剂中的光生电子-空穴对，如：掺杂与空位调控、构建半导体异质结、负载贵金属等。然而，在半导体物理光学器件领域中，也有一种有效促进光生载流子转移的方法，即构筑量子阱结构。

2、传统的半导体量子阱结构是由一层窄带隙半导体b夹在两层宽带隙半导体a之间形成的“三明治”结构，具有明显量子限域效应的电子或空穴的势阱。由于半导体量子阱结构可以将两侧半导体a的光生电子和空穴快速转移并限域至中间半导体b的导带和价带上，使得电子和空穴极易复合并放出光子。因此，现有技术中公开的半导体量子阱结构在光学器件领域已得到很多应用。然而，在光催化反应中，半导体量子阱结构的应用较少，这是因为光生电子-空穴对的有效分离是光催化活性增强的重要途径之一，而传统半导体量子阱结构仅仅能够实现光生电子和空穴的快速复合，并不能实现有效分离。因此，如何对现有的半导体量子阱结构进行改造，以使其能够应用于光催化反应领域成为一大研究热点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片及其制备方法和应用。本发明提供的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片具有优异光催化性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片，由tio2纳米片和cds纳米粒子复合而成；

4、所述tio2纳米片为{101}晶面和{001}晶面同时暴露的锐钛矿晶面异质结结构；

5、所述cds纳米粒子组装在所述tio2纳米片的{101}晶面上，且呈量子点结构。

6、优选地，所述tio2纳米片的{001}晶面的长度为10～80nm；所述tio2纳米片的{101}晶面的宽度为2～20nm。

7、优选地，所述cds纳米粒子的粒径为1～10nm。

8、本发明还提供了上述技术方案所述的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片的制备方法，包括以下步骤：

9、将钛源、氢氟酸和乙醇混合，进行溶剂热反应，得到tio2纳米片；

10、将所述tio2纳米片分散于水中后，进行紫外灯活化，得到光活化tio2纳米片；

11、将所述光活化tio2纳米片和银氨溶液混合，在模拟太阳光的照射下，进行还原反应，得到ag/tio2/ag纳米片；

12、将所述ag/tio2/ag纳米片、硫源和水混合，进行络合反应，得到ag2s/tio2/ag2s纳米片；

13、将所述ag2s/tio2/ag2s纳米片、镉源和水混合，进行镉离子交换，得到所述cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片。

14、优选地，所述钛源为钛酸正丁酯、四氯化钛和硫酸钛中的一种或多种；所述溶剂热反应的温度为160～200℃，保温时间为10～14h。

15、优选地，所述紫外灯活化的时间为2～5h。

16、优选地，所述光活化tio2纳米片中钛和银氨溶液中银的摩尔比为1：(0.2～0.4)；所述还原反应的时间为1～3min。

17、优选地，所述硫源为硫代乙酰胺、硫化钠或硫脲中的一种或多种；所述络合反应的温度为35～60℃，时间为2～5h。

18、优选地，所述镉源为cd(ac)2·2h2o、cdcl2和cd(no3)2中的一种或多种；所述镉离子交换的温度为40～70℃，时间为2～5h。

19、本发明还提供了上述技术方案所述的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片或上述技术方案所述的制备方法制得的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片在光催化分解水制氢和二氧化碳还原中的应用。

20、本发明提供了一种cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片，由tio2纳米片和cds纳米粒子复合而成；所述tio2纳米片为{101}晶面和{001}晶面同时暴露的锐钛矿晶面异质结结构；所述cds纳米粒子组装在所述tio2纳米片的{101}晶面上，且呈量子点结构。

21、本发明具有如下优点：

22、(1)传统半导体量子阱结构，由于其对光生载流子的限域作用，使得电子和空穴极易复合并放出光子，在光学器件领域得到很多应用。本发明首次改造传统半导体量子阱，限域并收集大量的光生电子，促进光生载流子的高效分离，为量子阱结构在光催化领域的应用注入了新的灵感。

23、(2)选用tio2纳米片的超薄边缘层作为量子阱阱底，巧妙利用tio2晶面异质结的氧化还原特性，借助简单的光还原法和离子交换法在tio2{101}面上生长cds量子点作为量子阱势垒，构筑cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片。

24、(3)tio2是一种宽带隙半导体，禁带宽度为3.2ev，只能吸收太阳光中4％左右的紫外光。cds是一种n型半导体，禁带宽度为2.4ev，可以吸收可见光。将tio2和cds复合可以将光响应范围扩展到可见光区，提高对太阳光的利用效率。

25、(4)本发明合成的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片相比于经典的cds/tio2“ii”型异质结，对水和二氧化碳还原的光催化性能明显提升。此外，其ch4-产物的选择性也有所增加。

技术特征：

1.一种cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片，由tio2纳米片和cds纳米粒子复合而成；

2.根据权利要求1所述的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片，其特征在于，所述tio2纳米片的{001}晶面的长度为10～80nm；所述tio2纳米片的{101}晶面的宽度为2～20nm。

3.根据权利要求1所述的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片，其特征在于，所述cds纳米粒子的粒径为1～10nm。

4.权利要求1～3任一项所述的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钛源为钛酸正丁酯、四氯化钛和硫酸钛中的一种或多种；所述溶剂热反应的温度为160～200℃，保温时间为10～14h。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述紫外灯活化的时间为2～5h。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述光活化tio2纳米片中钛和银氨溶液中银的摩尔比为1：(0.2～0.4)；所述还原反应的时间为1～3min。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硫源为硫代乙酰胺、硫化钠或硫脲中的一种或多种；所述络合反应的温度为35～60℃，时间为2～5h。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述镉源为cd(ac)2·2h2o、cdcl2和cd(no3)2中的一种或多种；所述镉离子交换的温度为40～70℃，时间为2～5h。

10.权利要求1～3任一项所述的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片或权利要求4～9任一项所述的制备方法制得的cds/tio2/cds半反转量子阱型纳米片在光催化分解水制氢和二氧化碳还原中的应用。

技术总结
本发明属于光催化技术领域，尤其涉及一种CdS/TiO<subgt;2</subgt;/CdS半反转量子阱型纳米片及其制备方法和应用。本发明选用TiO<subgt;2</subgt;纳米片的超薄边缘层作为量子阱阱底，巧妙利用TiO<subgt;2</subgt;晶面异质结的氧化还原特性，借助简单的光还原法和离子交换法在TiO<subgt;2</subgt;{101}面上生长CdS量子点作为量子阱势垒，构筑CdS/TiO<subgt;2</subgt;/CdS半反转量子阱型纳米片。TiO<subgt;2</subgt;是一种宽带隙半导体，禁带宽度为3.2eV，只能吸收太阳光中4％左右的紫外光。CdS是一种n型半导体，禁带宽度为2.4eV，可以吸收可见光。将TiO<subgt;2</subgt;和CdS复合可以将光响应范围扩展到可见光区，提高对太阳光的利用效率；对水和二氧化碳还原的光催化性能明显提升。

技术研发人员：张振翼,苑青,鲁巍,吕娜
受保护的技术使用者：大连民族大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15