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一种一步溶剂热合成CuS-WO3复合材料的制备方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2019-03-26
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2019-08-09
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2021-11-16
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2039-03-26
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN201910230595.2 申请日 2019-03-26
公开/公告号 CN110013863B 公开/公告日 2021-11-16
授权日 2021-11-16 预估到期日 2039-03-26
申请年 2019年 公开/公告年 2021年
缴费截止日
分类号 B01J27/047 主分类号 B01J27/047
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 4
权利要求数量 5 非专利引证数量 1
引用专利数量 0 被引证专利数量 0
非专利引证 1、CN 106064093 A,2016.11.02CN 105148902 A,2015.12.16CN 103506136 A,2014.01.15CN 109012700 A,2018.12.18CN 105536820 A,2016.05.04CN 104155349 A,2014.11.19CN 103191721 A,2013.07.10CN 103657692 A,2014.03.26Xinlin Liu et al..“Significantlyenhanced photocatalytic performance ofCdS coupled WO3 nanosheets and themechanism study”《.Chemical EngineeringJournal》.2013,第241卷第243-250页. 宋春冬等“.基于单质法合成直接Z型CuS-WO3及光催化性能”《.物理化学学报》.2017,第33卷(第9期),贾博等.“水热/溶剂热法制备CuS及其复合光催化”《.硅酸盐通报》.2015,第34卷(第2期),第420-427页. 徐占霞等“.新型CdS/TiO2纳米复合材料的制备及其可见光催化性能研究”《.影像科学与光化学》.2008,第26卷(第6期),第489-498页.;
引用专利 被引证专利
专利权维持 3 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 桂林理工大学 当前专利权人 桂林理工大学
发明人 利明、王献栋、张清彦、刘雅婷 第一发明人 利明
地址 广西壮族自治区桂林市建干路12号 邮编 541004
申请人数量 1 发明人数量 4
申请人所在省 广西壮族自治区 申请人所在市 广西壮族自治区桂林市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
摘要
本发明公开了一种一步溶剂热合成CuS‑WO3复合材料的方法。将制备CuS所需的硫源和铜源,以及制备WO3所需的钨源,同时溶解在同一溶剂乙二醇中,形成均相混合溶液,在溶剂热条件下反应,使CuS和WO3同时生成,得到CuS‑WO3复合材料。相较分步的合成方法,本发明方法更简单,并且能够解决分步合成有可能带来的半导体性质改变的问题。能够通过改变铜源、硫源和钨源的浓度控制复合物中CuS和WO3的相对含量,从而调节CuS‑WO3复合材料的光电和光催化性能,所制备的CuS‑WO3复合材料能够用于光电和光催化领域。
  • 摘要附图
    一种一步溶剂热合成CuS-WO3复合材料的制备方法
  • 说明书附图:图1
    一种一步溶剂热合成CuS-WO3复合材料的制备方法
  • 说明书附图:图2
    一种一步溶剂热合成CuS-WO3复合材料的制备方法
  • 说明书附图:图3
    一种一步溶剂热合成CuS-WO3复合材料的制备方法
  • 说明书附图:图4
    一种一步溶剂热合成CuS-WO3复合材料的制备方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2021-11-16 授权
2 2019-08-09 实质审查的生效 IPC(主分类): B01J 27/047 专利申请号: 201910230595.2 申请日: 2019.03.26
3 2019-07-16 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种一步溶剂热合成CuS‑WO3复合材料的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)将铜源和硫源同时加入乙二醇中,在室温下搅拌1小时使其完全溶解后,制得硫化铜前驱反应液;
(2)在(1)中所制备的硫化铜前驱反应液中加入WCl6粉末,在室温下搅拌40min后溶解得到复合物的前驱液;
(3)将(2)中得到的前驱液放入到水热反应釜中,在180℃的温度条件下反应24h,自然冷却至室温后,使用乙醇和蒸馏水离心清洗多次,在真空环境下干燥后,即制得CuS‑WO3复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种一步溶剂热合成CuS‑WO3复合材料的制备方法,其特征在于,CuS和WO3两种半导体在一步溶剂热反应过程中同时生成,形成复合物。

3.根据权利要求1所述的一种一步溶剂热合成CuS‑WO3复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤中铜源为:氯化铜、硝酸铜或硫酸铜,硫源为:升华硫。

4.根据权利要求1所述的一种一步溶剂热合成CuS‑WO3复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤中铜源的乙二醇溶液浓度为:1.22mmol/L–50mmol/L,铜源与硫源的摩尔比为:
1:2。

5.根据权利要求1所述的一种一步溶剂热合成CuS‑WO3复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤中制得的六氯化钨的乙二醇溶液浓度为:50mmol/L。
说明书

技术领域

[0001] 本发明属于光催化半导体技术领域,具体涉及一种一步溶剂热合成CuS‑WO3复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 对环境质量保护的日益关注以及全球对能源需求的不断增长需要开发具有高能效和低污染或无污染的技术。光催化半导体材料能利用太阳能分解水产氢并降解环境中的有毒污染物,被认为是极有前途的清洁能源技术之一。
[0003] 单一的光催化半导体材料吸光范围有限,且光生电子和空穴的复合几率高,因此光电和催化性能较差。近来,将带隙不同的光电半导体复合制备复合材料是最受关注的工作之一。复合不仅能拓宽材料的吸光范围提高对光的吸收利用率,还能促进光生电子和空穴的分离,从而提高材料的性能。
[0004] 氧化钨(WO3)已经被证实在可见光照下具有分解水和降解污染物的性能,并且由于WO3显示出对光腐蚀和化学腐蚀的高稳定性并且价格便宜,制备简单,因而是研究较多的光催化材料之一。但WO3的带隙为2.48eV,理论上只能利用波长500nm以下的光,其吸光范围仍然不够宽。硫化铜是一种p型半导体,由于它的带隙较窄,其吸光范围较宽。并且,硫化铜22 ‑3
的空穴浓度很高,达到10 cm ,并且具有很好的空穴传输能力,其空穴迁移率很高,因此其‑4
电阻很低,为 10 Ωcm。因此,将硫化铜和三氧化钨复合不仅可以拓宽材料的吸光范围,提高光生电子和空穴的分离效率,并且由于CuS的快速空穴传输能力,理论上可以提高光催化反应的速度。
[0005] 目前制备半导体复合材料常用分步的方法进行,即先制备一种半导体,随后在这一半导体上再沉积生长另一种半导体。这种方法首先步骤较多;其次,在生长后一种半导体时,若条件不适当,会对前一半导体产生影响。
[0006] 本发明通过将合成硫化铜所需的铜源和硫源,以及合成三氧化钨所需的钨源原料制备为均相混合溶液,溶剂为乙二醇,采用溶剂热法一步生成CuS‑WO3复合材料。这一方法可以方便的通过改变反应液中原料的浓度来控制复合材料中两种半导体的相对含量,从而得到光电和催化性能不同的复合材料。
[0007] 本发明针对WO3的吸光范围较窄,并且单一半导体电子空穴复合率高的问题,提出采用与CuS复合的办法提高材料的吸光性能,提高电子空穴分离的效率,并且由于CuS的高空穴传输能力,能加快催化反应速度,从而提高光电和光催化性能。同时,针对分步合成较为繁琐,并且有可能会对前一半导体产生影响的问题,提出采用一步法合成,反应过程同时生成两种半导体,一步得到复合材料。这一一步溶剂热反应制备得到CuS‑WO3复合材料的方法还未见报道。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种一步合成CuS‑WO3复合材料的制备方法。
[0009] 本发明的思路:通过将合成硫化铜所需的铜源和硫源,以及合成三氧化钨所需的钨源原料制备为均相混合溶液,溶剂为乙二醇,采用溶剂热法一步生成CuS‑WO3复合材料。具体步骤为:
[0010] (1)将铜源和硫源同时加入乙二醇中,在室温下搅拌1小时使其完全溶解后,制得硫化铜前驱反应液。
[0011] (2)在(1)中所制备的硫化铜前驱反应液中加入WCl6粉末,在室温下搅拌40min后溶解,得到复合物的前驱液。
[0012] (3)将(2)得到的前驱液放入到水热反应釜中在180℃的温度条件下反应24h,自然冷却至室温后,使用乙醇和蒸馏水离心清洗多次,在真空环境下干燥后,即制得CuS‑WO3复合材料。
[0013] 所述步骤中铜源为:氯化铜、硝酸铜或硫酸铜,硫源为:升华硫。
[0014] 所述步骤中铜源的乙二醇溶液浓度为:1.22mmol/L–50mmol/L,铜源与硫源的摩尔比为:1:2。
[0015] 所述步骤中六氯化钨的乙二醇溶液浓度为:50mmol/L。
[0016] 本发明方法操作简单,能够通过改变前驱液的浓度控制复合材料中两种半导体的相对含量,从而调节复合材料的光电和光催化性能,所制备的CuS‑WO3复合材料能够用于光电和光催化领域。

实施方案

[0021] 实施例1:
[0022] (1)将341mgCuCl2·2H2O粉末和128.2mg升华硫粉末加入至40ml 乙二醇溶液中,搅拌1小时后,制得硫化铜前驱液。
[0023] (2)在(1)中所制备的硫化铜前驱液中加入794mgWCl6粉末,在室温下搅拌40min溶解,得到复合物的前驱液。
[0024] (3)将(2)中得到的复合物前驱液放入水热反应釜中,在180℃的温度条件下反应24h,自然冷却至室温后,使用乙醇和蒸馏水离心清洗多次,在真空环境下干燥后,即制得CuS‑WO3复合材料。样品记为50%CW‑1。
[0025] 为与复合物比较,采用同样方法制备了纯WO3和纯CuS。纯WO3的制备,前驱液中不加CuCl2·2H2O和硫粉;纯CuS的制备,前驱液中不加WCl6,其他制备条件相同。
[0026] 纯WO3的XRD图谱中,所有的衍射峰与六方晶型WO3的标准衍射峰一致,如附图1;附图2(a)的SEM测试表明生成的纯WO3为片状结构。纯CuS的XRD图谱中,所有的衍射峰与六方晶型CuS 的标准衍射峰一致,如附图1;附图2(b)的SEM测试表明生成的纯CuS也为片状结构。实施例2得到的样品50%CW‑1的XRD图谱与纯WO3比较,在29.277°,31.784°,32.7387°,47.941°,52.714°,59.345°处出现了新的衍射峰,这些新的衍射峰分别与六方晶型CuS的(102)、 (103)、(006)、(110)、(108)、(116)晶面相对应,证明一步溶解热反应生成了CuS和WO3的复合物。附图2(c)的SEM 测试表明生成的50%CW具有花状形貌。
[0027] 实施例2:
[0028] 将实施例1步骤(1)中341mg CuCl2·2H2O改为375.1mg Cu(NO3)2,其余均同实施例1,制得的CuS‑WO3复合材料,记为50%CW‑2。
[0029] 实施例2得到的样品50%CW‑2的XRD图谱与纯WO3比较,在 29.277°,31.784°,32.7387°,47.941°,52.714°,59.345°处出现了新的衍射峰,这些新的衍射峰分别与六方晶型CuS的(102)(103)(006) (110)(108)(116)晶面相对应,证明改变铜源为Cu(NO3)2,对产物的构成没有影响。
[0030] 实施例3:
[0031] 将实施例1步骤(1)中341mg CuCl2·2H2O改为500mg CuSO3·5H2O,其余均同实施例1,制得的CuS‑WO3复合材料,记为50%CW‑3。
[0032] 实施例3得到的样品50%CW‑3的XRD图谱与纯WO3比较,在 29.277°,31.784°,32.7387°,47.941°,52.714°,59.345°处出现了新的衍射峰,这些新的衍射峰分别与六方晶型CuS的(102)、(103) (006)、(110)、(108)、(116)晶面相对应,证明改变铜源为 Cu(SO4)2,对产物的构成没有影响。
[0033] 实施例4:
[0034] 将实施例1步骤(1)中341mg CuCl2·2H2O改为8.35mg CuCl2·2H2O, 128.2mg升华硫粉末改为3.14mg,其余均同实施例1,制得的CuS‑WO3复合材料,样品记为1%CW。
[0035] 附图2(d)的SEM测试表明生成的1%CW与WO3的形貌相近,可能是因为CuS的含量很‑2低,对产物的形貌影响不大。光电测试结果表明,在100mWcm 光强下,电压0.5V时,1%CW显‑2 ‑2
示出了光响应性,其响应电流为0.62μA cm ,高于纯CuS在同样条件下0.24μA cm 的响应‑2
电流,也高于纯WO3在同样条件下0.29μA cm 的响应电流值,见附图3。在可见光照射(λ≥
420nm)下,1%CW显示了催化作用,催化活性优于纯CuS和纯WO3,经过210min的光照后,对亚甲基蓝的降解率达到79%,高于纯CuS在同样条件下对亚甲基蓝66%的降解率,也高于纯WO3在同样条件下对亚甲基蓝74%的降解率,见附图4。
[0036] 实施例5:
[0037] 将实施例1步骤(1)中CuCl2·2H2O和升华硫的量分别改为 16.88mg和6.35mg,其余均同实施例1,制得的CuS‑WO3复合材料,记为2%CW。
[0038] 实施例5得到的样品2%CW的光电测试结果表明,在100mW cm‑2光强下,电压0.5V‑2时,样品的响应电流为0.8μA cm ,高于1%CW 样品在同样条件下的响应电流值,见附图3。
在可见光照射(λ≥ 420nm)下,2%CW显示了催化作用。2%CW的催化活性要强于1%CW,经过
210min的光照后,对亚甲基蓝的降解率达到90%,见附图4。
[0039] 实施例6:
[0040] 将实施例1步骤(1)中CuCl2·2H2O和升华硫的量分别改为 25.57mg和9.62mg,其余均同实施例1,制得的CuS‑WO3复合材料,记为3%CW。
[0041] 实施例6得到的样品3%CW的光电测试结果表明,在100mW cm‑2光强下,电压0.5V‑2时,样品的响应电流为1.3μA cm ,高于2%CW 样品在同样条件下的响应电流值,见附图3。
在可见光照射(λ≥ 420nm)下,3%CW显示了催化作用。3%CW的催化活性要强于2%CW,经过
210min的光照后,对亚甲基蓝的降解率达到92%,见附图4。
[0042] 实施例7:
[0043] 将实施例1步骤(1)中CuCl2·2H2O和升华硫的量分别改为34.45mg和12.96mg,其余均同实施例1,制得的CuS‑WO3复合材料,记为4%CW。
[0044] 实施例7得到的样品4%CW的光电测试结果表明,在100mW cm‑2光强下,电压0.5V‑2时,4%CW样品的响应电流为2.54μA cm ,高于3%CW样品在同样条件下的响应电流值,见附图3。在可见光照射(λ≥420nm)下,4%CW显示了催化作用。4%CW的催化活性要强于3%CW,经过210min的光照后,对亚甲基蓝的降解率达到 95%,见附图4。
[0045] 实施例8:
[0046] 将实施例1步骤(1)中CuCl2·2H2O和升华硫的量分别改为 43.52mg和16.34mg,其余均同实施例1,制得的CuS‑WO3复合材料,记为5%CW。
[0047] 实施例8得到的样品5%CW的光电测试结果表明,在100mW cm‑2光强下,电压0.5V‑2时,5%CW样品的响应电流为0.93μA cm ,低于4%CW样品在同样条件下的响应电流值,见附图3。在可见光照射(λ≥420nm)下,5%CW显示了催化作用。5%CW的催化活性要弱于4%CW(见附图4),可能是由于生成的CuS粒度较大,增加了空穴和电子迁移的距离,提高了电子和空穴复合的几率。

附图说明

[0017] 图1是本发明实施例1、2、3所制备的CuS‑WO3复合材料和用同样方法制备的纯CuS和纯WO3的XRD图。与纯样品相比,CuS‑WO3复合材料的XRD图谱同时出现了两种半导体的衍射峰。
[0018] 图2是本发明实施例1、2制得的CuS‑WO3复合材料和用同样方法制备的纯CuS和纯WO3的SEM图。其中(a)为纯WO3,(b) 为纯CuS,(c)为实施例1制备的CuS‑WO3复合材料,(d)为实施例4制备的CuS‑WO3复合材料。
[0019] 图3是本发明实施例4、5、6、7和8制得的复合材料和用同样方法制备的纯CuS和纯WO3样品的光响应曲线图。
[0020] 图4是本发明实施例4、5、6、7和8制得的复合材料和用同样方法制备的纯WO3和纯CuS的光催化降解亚甲基蓝的催化活性图。
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