納米片復(fù)合光催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4納米片復(fù)合光催化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是人類活動(dòng)的基礎(chǔ)及人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)前提，與傳統(tǒng)的化石能源(如煤、石油)相比，氫氣能是一種清潔能源，它可以從水中獲得，完全燃燒后的產(chǎn)物是水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染，是世界上最干凈的能源。雖然目前利用天然氣、石油、煤等化石能源通過(guò)熱化學(xué)法制取氫的技術(shù)比較成熟，但它既不經(jīng)濟(jì)，又不環(huán)保，而電解水的方法耗能較大，如果我們可以利用可再生能源(如太陽(yáng)能)分解水產(chǎn)生氫氣，那么氫氣可以稱為真正的“綠色能源”。
[0003]1972年Fujishima首次報(bào)道了可在以T12為光陽(yáng)極的光電化學(xué)電池中，用紫外光照射光陽(yáng)極使水分解為HjP O 2，這是具有“里程碑”意義的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，這預(yù)示著人們能利用廉價(jià)的太陽(yáng)能通過(guò)半導(dǎo)體催化使水分解從而獲得清潔的氫燃料。近年來(lái)，由于T12具有廉價(jià)、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)被而廣泛應(yīng)用在光催化研宄的各個(gè)領(lǐng)域。但是這種光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中并不理想，存在著可見光利用率低、不易回收、制備條件苛刻、光生電子和空穴容易復(fù)合等缺點(diǎn)。因此，有必要探索和開發(fā)新型的光催化劑。
[0004]石墨烯狀C3N4,簡(jiǎn)稱為g_C3N4，因其優(yōu)異的物理性能和光電性能成為當(dāng)今研宄的熱材料。2008年，福州大學(xué)王心晨等以12 nm的硅溶膠為模板，以氰胺為原材料，合成了介孔 g_C3N4/r (1.5、3.75、7.5、12.25 g 硅溶膠對(duì)應(yīng)的 r = 0.2、0.5、1、1.5)，即 mpg-C3N4/r用mpg-C3N4/Jt還原水制112的實(shí)驗(yàn)，100 mL的水中含體積分?jǐn)?shù)為10%的三乙醇胺作為犧牲劑，在波長(zhǎng)大于420 nm的可見光照射下，未修飾的mpg_C3N4/(l.5產(chǎn)氫速率為0.2 μ mol/h，而光沉積法負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Pt的mpg-C3N4/a5產(chǎn)氫速率達(dá)到142 μ mol/h。
[0005]2010年，日本國(guó)立材料研宄所Zhang等以雙氰胺和離子液體BmimPF6為原材料合成P-g_C3N4，從其XPS分析可知存在133.5 eV的峰，為典型的P-N鍵的峰，并且其中不存在P-C的特殊峰，說(shuō)明C元素被P元素所取代。由于P元素的摻雜含量較少，P-g_C3N4保持較完整的g_C3N4結(jié)構(gòu)，但明顯改變了 g-C3N4的電子結(jié)構(gòu)，使得其在暗處的電導(dǎo)率提高了 4個(gè)數(shù)量級(jí)，并且光電流的產(chǎn)生提高了 5倍，這對(duì)于光催化劑g_C3N4應(yīng)用的推廣有重要的意義。
[0006]2011年，德國(guó)馬普膠體與界面研宄所Li等合成了石墨稀薄膜/g_C3N4，由于石墨稀薄膜的層間結(jié)構(gòu)與g_C3N4的相似，并且石墨烯非常堅(jiān)固牢靠，在室溫下傳遞電子的速度比導(dǎo)體都快，因此石墨稀薄膜可作為電子的給體來(lái)修飾g-C3N4。石墨稀薄膜/g_C3N4具有優(yōu)秀的選擇氧化亞甲基為酮的能力，氧化環(huán)己烷生成環(huán)己酮的收率為12%，選擇性為94% ;氧化苯乙烷生成苯乙酮的收率為12%，選擇性達(dá)99%。
[0007]目前，g_C3N4光催化的諸多問(wèn)題還不明晰，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研宄將促進(jìn)這一領(lǐng)域的發(fā)展。光催化的基礎(chǔ)理論研宄，包括多種元素或化合物復(fù)合改性g_C3N4光催化劑的設(shè)計(jì)和合成、不同改性劑對(duì)光吸收及光催化的協(xié)同作用、光生電子與空穴在改性條件下分離的物理機(jī)制、改性g_C3N4光催化劑的化學(xué)穩(wěn)定性等涉及到多學(xué)科的交叉，仍需要進(jìn)行大量的工作。探索新的研宄手段和方法，構(gòu)建新型、連續(xù)、穩(wěn)定、高效的g_C3N4光催化體系，進(jìn)一步提升光響應(yīng)范圍和量子效率，并與其他材料配合形成相應(yīng)的光催化器件，促進(jìn)太陽(yáng)能規(guī)模制氫技術(shù)和太陽(yáng)能催化氧化合成的工業(yè)化發(fā)展等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種新型CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4納米片復(fù)合光催化劑及其制備方法，為解決當(dāng)今能源問(wèn)題提供了新材料。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案主要包含以下幾個(gè)方面。
[0010]1、一種CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4納米片復(fù)合光催化劑，其特征是將CdS量子點(diǎn)負(fù)載到超薄g_C3N4納米片(簡(jiǎn)稱為g-C 3N4)而形成的，其中CdS量子點(diǎn)與g_C3N4的質(zhì)量比為
10%-100%ο
[0011]2、一種CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4納米片復(fù)合光催化劑的制備方法，其特征在于如下步驟:
(I)制備塊狀g_C3N4:用坩禍稱取5-10 g尿素，蓋上蓋子置于馬弗爐中，先以5 0C /min的升溫速率升到250 °C，再以8 °C/min的升溫速率升到550 °C，在550 °C下煅燒2 h。自然降溫，碾磨，得到塊狀的g_C3N4。
[0012](2)制備超薄g-C3N4納米片:稱取50-500 mg步驟(I)中制備的塊狀g_C 3N4分散在50-500 mL的去離子水中，超聲剝離10-20 h，然后靜置10-20 h，將上層均勻濁液用有機(jī)濾膜抽濾收集，得到超薄g_C3N4納米片。
[0013](3)制備CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4:稱取50 mg超薄g_C 3N4納米片加入50 mL的二甲基亞砜(DMSO)中，超聲均勾，再加入9 mg-100 mg醋酸錦，攪拌均勾，最后轉(zhuǎn)移至100 mL的水熱釜中，在烘箱中進(jìn)行水熱反應(yīng)，溫度控制在120 0C -200 °C，反應(yīng)時(shí)間為8-20 h。反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行有機(jī)濾膜抽濾、干燥，得到CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4納米片復(fù)合光催化劑。
[0014]本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4復(fù)合光催化劑在制備方法、結(jié)構(gòu)組成以及光催化性能方面都與現(xiàn)有的CdS量子點(diǎn)/g-C3N4催化劑不同。本發(fā)明的主體材料為CdS量子點(diǎn)負(fù)載的超薄g_C3N4，是將塊狀g_C3N4通過(guò)超聲剝離法塞選出來(lái)的超薄g-C3N4納米片，具有更高的光催化活性。本發(fā)明的催化劑還具有光響應(yīng)范圍寬、光催化效率高、原材料價(jià)格低廉易得、實(shí)驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明在光催化領(lǐng)域以及解決能源危機(jī)方面具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明的超薄g_C3N4和CdS量子點(diǎn)/超薄g-c 3N4光催化劑的XRD圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的超薄g_C3N4和CdS量子點(diǎn)/超薄g-C3N4光催化劑的紫外-可見漫反射比較圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的塊狀g_C3N4、超薄g_C3N4以及CdS量子點(diǎn)/超薄g_C 3N4催化劑在可見光條件下，以體積分?jǐn)?shù)為10 vol%的三乙醇胺為犧牲劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3被％的？丨為助催化劑，光催化分解水產(chǎn)氫的比較效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合【附圖說(shuō)明】對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，本實(shí)施例為較佳實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]本發(fā)明的催化劑材料的合成:
(1)制備塊狀8_(:3隊(duì):用坩禍稱取6.5 g尿素，蓋上蓋子置于馬弗爐中，先以5 0C /min
的升溫速率升到250 °C，再以8 °C/min的升溫速率升到550 °C，在550 °C下煅燒2 h。自然降溫，碾磨，得到塊狀的g_C3N4。
[0020](2)制備超薄g-C3N4納米片:將以上制備的200 mg塊狀g_C 3N4分散在200 mL的去離子水中，超聲剝離16 h，然后靜置12 h，將上層均勻濁液用0.22 ym有機(jī)濾膜抽濾收集，得到超薄g_C3N4納米片。
[0021](3)制備CdS量子點(diǎn)/超薄g-C3N4:稱取50 mg超薄g_C 3N4納米片加入50 mL的二甲基亞砜(DMSO)中，超聲均勾，再加入92 mg醋酸鎘，攪拌均勻，最后轉(zhuǎn)移至100 mL的水熱釜中，在烘箱中進(jìn)行水熱反應(yīng)，溫度控制在180 °C，反應(yīng)時(shí)間為12 ho反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行有機(jī)濾膜抽濾、干燥，得到CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4納米片復(fù)合光催化劑。
[0022]如圖1所示，經(jīng)X射線粉末衍射測(cè)試表明，本發(fā)明的CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4光催化劑與純的超薄g_C3N4進(jìn)行對(duì)比，在X射線粉末衍射圖中g(shù)-C 3N4的主峰位置沒有發(fā)生變化，說(shuō)明CdS量子點(diǎn)的負(fù)載沒有破壞g_C3N4的結(jié)構(gòu)，并且檢測(cè)到含有CdS的兩個(gè)峰，說(shuō)明CdS量子點(diǎn)已經(jīng)成功負(fù)載到超薄g_C3N4上。另外從圖2可以看出，CdS量子點(diǎn)/超薄g-C 3N4光催化劑相比純的超薄g_C3N4吸收邊帶發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象，說(shuō)明CdS量子點(diǎn)的負(fù)載拓寬了超薄g_C3N4的光吸收范圍，從而具有更高的光催化活性。拉曼光譜表明CdS量子點(diǎn)與超薄g_C3N4納米片之間有弱作用力存在，形成了異質(zhì)結(jié)而不是簡(jiǎn)單的混合物。如圖3所示，本發(fā)明的CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4光催化劑在可見光條件下，以體積分?jǐn)?shù)為10 vo 1%的三乙醇胺為犧牲劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 wt%的Pt為助催化劑，光催化分解水產(chǎn)氫速率達(dá)到998Mmol.IT1.g'與純的塊狀g_C3N4和超薄g_C 3N4催化劑相比較，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，本發(fā)明的CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4光催化劑的光催化分解水產(chǎn)氫效果最佳。
[0023]本發(fā)明的催化劑還具有光響應(yīng)范圍寬、光催化效率高、原材料價(jià)格低廉易得、實(shí)驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單，是理想的光催化分解水產(chǎn)氫材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種CdS量子點(diǎn)/超薄g-c 3N4納米片復(fù)合光催化劑，其特征是將CdS量子點(diǎn)負(fù)載到超薄石墨烯狀C3N4納米片而形成的，其中CdS量子點(diǎn)與g-c 3N4的質(zhì)量比為10%-100%。
2.—種根據(jù)權(quán)利要求1所述的CdS量子點(diǎn)/超薄g-c 3N4納米片復(fù)合光催化劑的制備方法，其特征在于方法步驟如下: (1)制備塊狀g_C3N4:用坩禍稱取5-10g尿素，蓋上蓋子置于馬弗爐中，先以5 0C /min的升溫速率升到250 °C，再以8 0C /min的升溫速率升到550 °C，在550 °C下煅燒2 h，自然降溫，碾磨，得到塊狀的g_C3N4; (2)制備超薄g-C3N4納米片:稱取50-500mg步驟(I)中制備的塊狀g_C 3N4分散在50-500 mL的去離子水中，超聲剝離10-20 h，然后靜置10-20 h，將上層均勻濁液用有機(jī)濾膜抽濾收集，得到超薄g_C3N4納米片； (3)制備CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4:稱取50mg超薄g_C 3N4納米片加入50 mL的二甲基亞砜中，超聲均勾，再加入9 mg-100 mg醋酸錦，攪拌均勾，最后轉(zhuǎn)移至100 mL的水熱藎中，在烘箱中進(jìn)行水熱反應(yīng)，溫度控制在120 0C -200 °C，反應(yīng)時(shí)間為8-20 h ;反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行有機(jī)濾膜抽濾、干燥，得到CdS量子點(diǎn)/超薄g_C3N4納米片復(fù)合光催化劑。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CdS量子點(diǎn)/超薄g-C3N4納米片復(fù)合光催化劑及其制備方法。CdS量子點(diǎn)/超薄g-C3N4是由CdS量子點(diǎn)負(fù)載到超薄g-C3N4納米片上而形成的復(fù)合可見光催化劑。本發(fā)明制備出的CdS量子點(diǎn)/超薄g-C3N4催化劑比單純的g-C3N4催化劑具有更高的光催化劑活性，在可見光照射下，該催化劑的光催化分解水產(chǎn)氫效率達(dá)到998μmol·h-1·g-1。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：原材料價(jià)格低廉易得，實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，催化劑光響應(yīng)范圍寬，光催化效率高。該材料與其他材料配合形成相應(yīng)的光催化器件，在促進(jìn)太陽(yáng)能規(guī)模制氫技術(shù)和太陽(yáng)能催化氧化合成的工業(yè)化發(fā)展中有很好的潛在應(yīng)用前景。
【IPC分類】B01J27-24
【公開號(hào)】CN104801329
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510228841
【發(fā)明人】黃艷, 邢秋菊, 余建, 朱紅允, 鄒建平, 劉啟明, 曹雅雯
【申請(qǐng)人】南昌航空大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月8日