水分解用光催化劑及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種能通過兩步兩電子的氧化過程，有效地利用可見光實現(xiàn)高效、穩(wěn)定地催化分解水，實現(xiàn)同時制取氫氣和氧氣的一種光催化劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在化石能源危機的今天，低成本地生產(chǎn)制造清潔能源是實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。但是水的分解通常需要在比較嚴格的實驗條件下實現(xiàn)，例如電解水、光-電聯(lián)合分解水等等都需要在反應體系中注入一定的電能。利用太陽能分解水產(chǎn)生氏和02是一種有前途的儲存可再生能量的方式。在過去的40年中，許多無機、有機體系都被用來作為光催化劑在可見光下分解水(典型的文獻報道J.Am.Chem.Soc.133，11054-11057(2011) ；Energy Environ.Sc1.，6，1983-2002 (2013) ；J.Phys.Chem.C，117，17879-17893 (2013) ;Chem.Soc.Rev., 38，253-278 (2009))。但是，這些光催化劑的量子效率較低且穩(wěn)定性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種水分解用光催化劑及其制備方法及其應用。
[0004]本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)。
[0005]一種水分解用光催化劑，所述催化劑為碳量子點-氮化碳復合催化劑，所述催化劑中碳量子點濃度為4.8xl0_3。
[0006]優(yōu)選地，包括如下步驟，
51、制備碳量子點，所述碳量子點通過電化學刻蝕的方法制備；
511、將石墨棒插入超純水中，分別作為陰極和陽極，兩個電極之間加直流電壓，并不停攪拌連續(xù)反應120小時；
512、干燥稱重，反應后，無色的超純水變成深黃色，將獲得的溶液干燥，制得粉末，進行稱重；
513、配制碳量子點溶液，將獲得的粉末分散到超純水中配置成碳量子點溶液，溶液濃度為4 mg/L ；
52、制備氮化碳，將尿素放入加蓋的氧化鋁坩禍里，以0.5 V /min的升溫速度在馬弗爐中加熱到550 °C，反應3小時；冷卻至室溫后，即可得到淺黃色C3N4粉末；
53、碳量子點與氮化碳的復合；
531、在尿素中加入⑶ots溶液，混合均勻后放入加蓋的氧化鋁坩禍里以0.5 °C/min的速度加熱到550 °C，保溫3小時，將生成的淺棕色粉末冷卻至室溫；
532、過濾干燥，用超純水對粉末進行洗凈，過濾收集，再在室溫下干燥獲得碳量子點-氮化碳復合催化劑。
[0007]優(yōu)選地，所述碳量子點的制備中碳量子點溶液配制后還需經(jīng)過如下步驟， 514、氨水處理步驟，將氨水與S13中所得的溶液按照體積比1:1混合攪拌成混合液，然后將上述混合溶液轉移到聚四氟乙烯不銹鋼高壓釜中，在150 °C下保持7 h;
515、離心分離，通過離心分離將黃色溶液收集，放置在空氣中去除多余的氨氣，直到溶液的PH值為7 ；
516、烘干稱重，將離心分離后得到的碳量子點溶液在60°C空氣中烘干，稱重，并配制成濃度為2 mg/L的碳量子點溶液。
[0008]優(yōu)選地，所述方法包括如下步驟:
51、制備碳量子點，所述碳量子點通過電化學刻蝕的方法制備；
511、將石墨棒插入超純水中，分別作為陰極和陽極，兩個電極之間加直流電壓，并不停攪拌連續(xù)反應120小時；
512、干燥稱重，反應后，無色的超純水變成深黃色，將獲得的溶液干燥，制得粉末，進行稱重；
513、配制碳量子點溶液，將稱重獲得的粉末分散到超純水中配置成4mg/L的碳量子點溶液；
514、氨水處理步驟，將氨水與S13中所得的溶液以體積比1:1均勻混合攪拌成混合液，然后將上述混合溶液轉移到聚四氟乙烯不銹鋼高壓釜中，在150°C下保溫；
515、離心分離，之后通過離心分離將氨水處理后的碳量子點溶液收集，放置在空氣中去除多余的氨氣，直到溶液的PH值為7 ；
516、烘干稱重，將得到的碳量子點溶液在60°C空氣中烘干，稱重，并配制成2mg/L碳量子點溶液；
52、制備氮化碳，將10g尿素放入加蓋的氧化鋁坩禍里，以0.5 °C/min的升溫速度在馬弗爐中加熱到550 °C，反應3小時；冷卻至室溫后，即可得到淺黃色C3N4粉末；
53、碳量子點與氮化碳的復合，
531、在尿素中加入濃度為2mg/L的⑶ots溶液，混合均勻后放入加蓋的氧化鋁；t甘禍里以0.5 °C/min的速度加熱到550 °C，保溫，將生成的淺棕色粉末冷卻至室溫，所述粉末中含 0.6 g C3N4;
532、過濾干燥，用超純水對粉末進行洗凈，過濾收集，再在室溫下干燥獲得碳量子點-氮化碳復合催化劑。
[0009]優(yōu)選地，所述碳量子點-氮化碳復合催化劑用于光催化水分解，在催化分解水時加入所述碳量子點-氮化碳復合催化劑的量為0.067-0.7 g/L,且使太陽能對氫氣的轉化效率可以達到2%。
[0010]優(yōu)選地，所述催化劑的用量為0.53 g/L O
[0011]CDotS-C3N4復合催化劑(4.8x10 _3 gcDots/gcatalyst )的太陽能對氫氣的轉化效率可以達到2%O
[0012]CDots-C3N4復合催化劑(1.6x10 _5 gCDots/gcataiyst)在催化劑干燥重復使用200次之后依舊有很好的穩(wěn)定性，在更高的⑶ots濃度(4.8xl0_3 gCDots/gcataiyst)催化劑的量子效率在50個循環(huán)后沒有明顯的衰退。
[0013]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:催化劑可以干燥重復使用200次之后依舊有很好的穩(wěn)定性，且催化劑的量子效率在50個循環(huán)后沒有明顯的衰退。
【附圖說明】
[0014]圖1為實施例中制備的⑶Ots-C3N4納米復合催化劑的透射電鏡(TEM)照片。
[0015]圖2為擔載在C3N4上的碳納米粒子的高放大倍數(shù)下的透射電鏡(TEM)照片。
[0016]圖3為碳納米粒子高分辨透射電鏡(HRTEM)照片。
[0017]圖4為實施例中制備得到的復合物⑶Ots-C3N4的粒徑分布圖。
[0018]圖5 為實施例中制備得到的⑶Ots-C3N4 ((Dots concentrat1n, LfTlCT5 gCDots/gcatalyst)在可見光下的光解水產(chǎn)氫(氧)量與時間的關系曲線，催化劑循環(huán)使用200天。
[0019]圖6為在不同波長光照射下，CDots-C3N4 (Q)ots concentrat1n, 1.1O-5 gCDots/gcatalyst)在光解水實驗中的量子效率與入射光波長之間的關系圖。實驗中所用的帶通濾光片規(guī)格分別為420±20 nm、460±20 nm、500±20 nm、540±20 nm、580±15 nm、600±10 nm、630±20 nm，并且使用長波長的截止濾光片獲得波長大于700 nm的入射光。
[0020]圖7為調控不同碳納米粒子的濃度制備復合催化劑的催化量子效率對照。
[0021]圖8為光催化實驗中催化劑的用量與量子效率之間的關系曲線圖。
具體實施例
[0022]下面通過具體實施例對本發(fā)明的方法進行說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
[0023]本發(fā)明是熱解尿素合成C3N4的方法，通過復合碳納米點，制備⑶Ots-C3N4復合納米催化劑，實現(xiàn)可見光催化分解水。本說明書中CDots均表示碳量子點。
[0024]制備CDots;
CDots通過電化學刻蝕的方法合成。將兩個石墨棒插入超純水作為陽極和陰極，兩電極之間加30 V直流電壓，在不停地攪拌下連續(xù)反應120 h。反應后，無色的超純水變成深黃色。
[0025]將獲得的溶液干燥，得到的粉末進行稱重。
[0026]然后將其分散到超純水中配置成4 mg/L的碳量子點溶液。
[0027]制備經(jīng)氨水處理的⑶ots;
經(jīng)氨水處理的CDots能夠有效地催化分解過氧化氫，因此將上述獲得的碳量子點溶液進一步處理。具體方法:將30 mL氨水與30 mL濃度為4 mg/L的OTots的溶液混合，并攪拌成均勻的溶液。然后將上述混合溶液轉移到100 mL聚四氟乙烯不銹鋼高壓釜中，在150°C下保持7 ho
[0028]通過離心分離將黃色溶液收集，放置在空氣中去除多余的氨氣，直到溶液的pH值為7。接下來將得到的⑶Ots溶液在60°C空氣中烘干，稱重，并配制成2 mg/L的碳量子點溶液。
[0029]這種碳量子點溶液每小時可分解過氧化氫I mmol。
[0030]制備C3N4和 CDots-C 3N4催化劑；
制備C3N4，將10 g尿素放入加蓋的氧化鋁坩禍里，以0.5°C /min的升溫速度在馬弗爐中加熱到550°C，反應3小時。冷卻至室溫后，即可得到淺黃色C3N4粉末。
[0031]制備CDots-C3N4,在10 g尿素中加入5 mL濃度為2 mg/L的(Dots溶液，混合均勻后放入加蓋的氧化鋁坩禍里以0.5°C/min的速度加熱到550°C，保溫3 h。將生成的淺棕色粉末冷卻至室溫，用超純水洗凈，過濾收集，再在室溫下干燥。得到的催化劑用電子天平稱重，總質量約為0.6 g±0.05 go
[0032]當加入2 mg/L CDots溶液時，獲得的催化劑中CDots濃度為1.6xl0_5 gCDots/gcatalysto通過改變⑶OtS溶液加入量可以獲得含有不同⑶OtS濃度的催化劑。說明書中gCD。JgrataIyst表示催化劑中碳量