CN102626642B - 一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,包括:将表面带负电荷的氧化钛纳米片与二价镉离子静电自组装得到金属镉离子插层的层状相;将金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺反应得到硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂,该制备方法通过在氧化钛纳米片层间嵌入硫化镉,扩展其吸收光谱至可见光区域,实现可见光响应的目的,能够提高催化剂对太阳能的利用率。本发明制备方法具有制备简单、环保、制备成本低等优点,制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂具有稳定性好、催化活性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光催化剂的制备领域,具体涉及一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法。
背景技术
随着社会的发展,能源问题和环境问题逐渐成为本世纪人类面临的两大难题。以半导体光催化技术为基础的光解水制氢和环境整治被看作是解决上述两大难题最有前途的方法。在众多的半导体光催化材料中,氧化钛由于其价格低廉、无毒、易于处理、稳定性好而被广泛研究。然而,氧化钛作为半导体光催化剂具有两方面的致命的缺陷:一方面,较宽的禁带宽度使得氧化钛光催化剂只对紫外光有响应,而在太阳光中紫外部分所占不到5%,因而氧化钛光催化剂对太阳能的利用率较低;另一方面,光生电子-空穴的高复合率使得氧化钛光催化剂的量子化效率低下,进一步限制了氧化钛光催化剂的光能利用率。
大量的研究表明,窄带隙半导体敏化的半导体-半导体复合材料是克服上述缺点的最有效方法。其中,硫化镉由于具有合适的带隙宽度在对氧化钛材料的修饰改性中最为常用。硫化镉的禁带宽度约为2.4eV,使得硫化镉修饰的氧化钛材料具有可见光活性,此外,与氧化钛相比,硫化镉的导带电势更负,因此,在可见光激发下,光生电子从硫化镉导带转移至氧化钛导带上,而空穴依旧保留在硫化镉价带,使得光生电子-空穴有效分离,在实现可见光响应的同时促进了光子利用率,从而有效提高太阳能的利用率。
公开号为CN 101323718A的中国发明专利申请公开了一种可分解油烟的硫化镉改性纳米二氧化钛涂料的合成方法;公开号为CN 101026199A的中国发明专利申请公开了一种制备硫化镉量子点敏化多孔二氧化钛光电极的方法。这两种方法都是将硫化镉负载到氧化钛表面,从而有效提高氧化钛材料的可见光催化活性。但是上述表面负载的复合材料由于相互间作用力较弱,硫化镉易从氧化钛表面脱落下来,在降低光催化活性的同时也容易造成二次污染。
公开号为CN 101112682A的中国发明专利申请公开了一种制备硫化镉嵌入二氧化钛线管材中的新方法。该方法克服了硫化镉易脱落的不足,使催化剂的稳定性大大提高。但是在离子交换过程中,需要大量镉离子,易造成镉源的浪费。同时,二价镉离子作为重金属离子本身易导致环境污染并危害人体健康,因此该方法不利于大规模推广使用。
公开号为CN 101786005A的中国专利申请公开了一种硫化镉-二氧化钛纳米管复合催化剂的制备方法,取锐钛型TiO2纳米颗粒置于反应釜中,加入去离子水,搅拌,再加入CdCl2·2.5H2O的水溶液和Na2S·9H2O的水溶液,混合,再加入NaOH,超声振荡,微波加热,静置,洗涤直至洗液的pH为7,抽滤,真空干燥即得到CdS-TiO2纳米管复合催化剂。从该技术方案提供的附图中可以看出,硫化镉粒子并不是在氧化钛纳米管的管壁中或空腔内生成,且硫化镉粒子不均匀地分布于氧化钛纳米管间,这都不利于最大限度地提高复合材料的光催化活性,在实际应用中该催化剂的光催化活性的效果有限。
另外,Fu等(Chem.Eng.J.2011,180,330-336)和Kim等(Adv.Funct.Mater.2011,21,3111-3118)采用剥离-重组装的方法制备了有机物修饰的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化材料。上述方法克服了离子交换法的不足,但是由于制备过程中对硫化镉进行表面修饰,所得复合材料中硫化镉和氧化钛纳米片之间存在有机物质,不利于光生电子的转移,从而导致光催化活性低下。
发明内容
本发明提供了一种制备简单、环保、廉价的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,通过在氧化钛纳米片层间嵌入硫化镉,扩展其吸收光谱至可见光区域,实现可见光响应的目的,能够提高催化剂对太阳能的利用率。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,包括:将表面带负电荷的氧化钛纳米片与二价镉离子静电自组装得到金属镉离子插层的层状相;将金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺反应得到硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
作为优选,所述的表面带负电荷的氧化钛纳米片通过层状质子化钛酸盐以乙胺为剥离试剂剥离后制备。以廉价易得的乙胺作为层状质子化钛酸盐的剥离试剂,将层状质子化钛酸盐剥离成单分子片层结构,制备获得含表面带负电荷的具有二维单分子片层结构的氧化钛纳米片的悬浮液。
所述的层状质子化钛酸盐可以采用现有技术制备。作为优选,所述的层状质子化钛酸盐为H0.7Ti1.825O4·H2O、H1.07Ti1.73O4·H2O、HTi1.75O4·H2O或者H0.93Ti1.77O4·H2O,均具有纤铁矿类型的层状结构。具有纤铁矿类型的层状钛酸盐,其钛氧八面体构成的金属氧化物板层在众多层状钛酸盐中具有最低的电荷密度,经有机胺或有机铵离子作用能有效剥离分层至二维单分子片层结构。层状质子化钛酸盐可按Sasaki等人提供的方法制备获得[Chem.Mater.,7(1995)1001-1007;Chem.Mater.,10(1998)4123-4128]。层状质子化钛酸盐通过碱金属层状钛酸盐制备。碱金属层状钛酸盐由厚度为0.65nm~0.75nm的钛氧八面体构成的板层和层间的碱金属阳离子构成,其中,碱金属层状钛酸盐的板层表面带负电荷。通过固相法制备的碱金属层状钛酸盐的固体颗粒尺寸一般在1μm~100μm间。碱金属层状钛酸盐作为典型的阳离子型层状化合物,其层间的碱金属阳离子具有离子交换性质,经酸处理其层间碱金属阳离子可被质子或水合质子取代而不改变其板层结构和颗粒尺寸,得到层状质子化钛酸盐。层状质子化钛酸盐的层间质子或水合质子具有酸活性,可发生酸碱反应。加入乙胺后,乙胺与层状质子化钛酸盐的层间质子或水合质子结合,乙胺插层至层状质子化钛酸盐的层间,经超声处理或者机械振荡后,板层分离,分层后得到厚度为0.65nm~0.75nm单分子片层结构的氧化钛纳米片,该单分子片层结构的氧化钛纳米片与碱金属层状钛酸盐的板层以及层状质子化钛酸盐的板层带电性均一致,均带负电荷。由于超声处理或者机械振荡下板层发生断裂,最终可得到横向尺寸为0.1μm~10μm,厚度为0.65nm~0.75nm具有极端二维各向异性性质的单分子片层结构的氧化钛纳米片。
作为优选,所述的表面带负电荷的氧化钛纳米片为二维单分子层结构。该二维单分子层的横向尺寸一般为0.1μm~10μm,该二维单分子层厚度一般在0.65nm~0.75nm,具有极端的二维各向异性性质。
所述的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,具体包括以下步骤:
1)将层状质子化钛酸盐分散在水中,再加入乙胺水溶液进行剥离,剥离后得到含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液;
2)将步骤1)中的含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液用水稀释并调节pH值至6~8,在搅拌条件下滴加水溶性镉盐水溶液,滴加完毕继续搅拌反应,反应后经静置、过滤、洗涤、干燥后得到金属镉离子插层的层状相;
3)将步骤2)中的金属镉离子插层的层状相置于硫代乙酰胺水溶液中在40℃~100℃反应0.25h~5h,反应后经过滤、洗涤、干燥后得到硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
步骤1)中,将层状质子化钛酸盐分散在水中,对水量没有特别的要求,以能够将层状质子化钛酸盐剥离后的氧化钛纳米片完全分散作为基准来确定水量,剥离在超声处理或者机械振荡等方式下进行。
作为优选,所述的层状质子化钛酸盐与乙胺水溶液中乙胺的质量比为1∶0.25~1;将乙胺量限定在优选的范围,有利于层状质子化钛酸盐的剥离。
步骤2)中,pH太低,水合质子会与二价镉离子发生竞争,与氧化钛纳米片组装生成水合质子插层的层状相;pH太高,当加入二价镉离子时,会有氢氧化镉生成,不利于二价镉离子的插层,且获得的产物不纯。作为优选,调节pH值至6.5~7.5。
所述的含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液中表面带负电荷的氧化钛纳米片与水溶性镉盐水溶液中水溶性镉盐的质量比为1∶0.3~3。
对水溶性镉盐水溶液中水溶性镉盐没有特别要求,一般选用水溶性镉盐即可,作为优选,所述的水溶性镉盐水溶液为硫酸镉水溶液、硝酸镉水溶液、氯化镉水溶液或者醋酸镉水溶液。
所述的水溶性镉盐水溶液中水溶性镉盐的浓度为0.017mol/L~1.7mol/L。水溶性镉盐水溶液中二价镉离子浓度太高,易造成二价镉离子的浪费;浓度太低,由于电荷不匹配,使得氧化钛纳米片不能完全利用。进一步优选,所述的水溶性镉盐水溶液中水溶性镉盐的浓度为0.08mol/L~0.35mol/L。
所述的干燥的条件为在60℃~120℃干燥18h~30h。干燥温度太高,会使层间的结合水分子脱去,会对催化剂的光催化活性造成影响;温度太低,需要的干燥时间太长,从而导致催化剂的制备周期增长,也不利于催化剂的制备。进一步优选,所述的干燥的条件为在80℃~90℃干燥23h~25h。
步骤3)中,所述的金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺水溶液中硫代乙酰胺的质量比为1∶0.2~2。
所述的硫代乙酰胺水溶液中硫代乙酰胺的浓度为0.02mol/L~2mol/L。硫代乙酰胺水溶液中硫代乙酰胺的浓度太高,会造成原料的浪费从而导致制备成本的升高;硫代乙酰胺的浓度太低,导致硫代乙酰胺与金属镉离子插层的层状相中的二价镉离子反应不完全,会使所得催化剂中硫化镉含量较低,影响催化剂的催化效果。进一步优选,所述的硫代乙酰胺水溶液中硫代乙酰胺的浓度为0.1mol/L~0.5mol/L。
所述的干燥的条件为在60℃~100℃干燥18h~30h。干燥温度太低,需要的干燥时间太长;温度太高,会使硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化性中的硫化镉纳米粒子被部分氧化或发生晶形转变,从而导致催化剂的光催化活性降低。进一步优选,所述的干燥的条件为在70℃~80℃干燥23h~25h。
本发明所制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化性能表征包括:X射线衍射(XRD)图谱测定产物组成及相结构,采用紫外可见分光光度计测定产物的紫外-可见吸收光谱,用扫描电子显微镜(SEM)表征复合材料的微观形貌,采用透射电子显微镜(TEM)观察其微观形貌及结构。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,采用表面带负电荷的氧化钛纳米片与二价镉离子静电自组装,再与硫代乙酰胺反应,采用静电自组装的方法制备金属镉插层的层状相,避免了传统离子交换等方法中使用大量的镉离子,在提高原子利用率和促进经济效益的同时,避免对环境和人体造成危害。以硫代乙酰胺为硫源,避免了使用H2S等对环境、人体有害气体的使用。本发明制备方法具有制备简单、环保、制备成本低等优点,易于工业化大规模生产。
本发明方法制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂,将硫化镉嵌入相邻的氧化钛纳米片间形成夹层结构,层间的硫化镉不易从复合材料体系中脱落,稳定了催化剂的组成结构,既保证了催化剂的光催化活性,也避免了由于硫化镉的流失而造成二次污染。本发明方法制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中硫化镉和氧化钛纳米片直接充分接触,提高了光生电子的转移率,进而提高了硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的光催化活性。本发明方法制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂具有稳定性好、催化活性高等优点,具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的X射线衍射图谱,其中横坐标是衍射角度2θ,纵坐标是衍射强度,图1中曲线a对应实施例1中层状质子化钛酸盐H1.07Ti1.73O4·H2O,图1中曲线b对应实施例1中金属镉离子插层的层状相,图1中曲线c对应实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂;
图2是实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的扫描电镜图,其中尺标为20.0μm;
图3是实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的透射电镜图,其中尺标为50nm;
图4是实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的紫外-可见吸收光谱,其中横坐标是波长,纵坐标是吸光度,图4中曲线a对应实施例1中碱金属层状钛酸盐K0.8Ti1.73Li0.27O4,图4中曲线b对应实施例1中金属镉离子插层的层状相,图4中曲线c对应实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂;
图5是实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光下光降解罗丹明B的催化效果图,其中横坐标是光照时间,纵坐标是降解率,图5中a为不加催化剂的罗丹明B自降解曲线,图5中b为加入实施例1的碱金属层状钛酸盐K0.8Ti1.73Li0.27O4的降解曲线,图5中c为加入实施例1的金属镉离子插层的层状相的降解曲线,图5中d为加入实施例1的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的降解曲线。
具体实施方式
实施例1
一、层状质子化钛酸盐的制备
1)将3.22g无水碳酸钾(市售)、0.55g无水碳酸锂(市售)、7.68g氧化钛(市售)混合研磨1小时后于1000℃下煅烧20小时,得到10g碱金属层状钛酸盐K0.8Ti1.73Li0.27O4;
该碱金属层状钛酸盐由钛氧八面体构成的表面带负电荷的板层和层间带正电荷的钾离子构成,锂离子占据板层钛氧八面体中部分钛原子的位置;
2)称取2.3g上述碱金属层状钛酸盐K0.8Ti1.73Li0.27O4,浸渍于200mL浓度为1mol·L-1的盐酸水溶液并磁力搅拌,每24h更换一次盐酸水溶液,三天后过滤洗涤,在25℃干燥后得到2g层状质子化钛酸盐H1.07Ti1.73O4·H2O。经酸处理后,层间的钾离子和钛氧八面体板层中的锂离子被完全抽离,而板层依旧保持原来的结构,质子和水合质子占据层间以补偿负电荷板层所占电荷。
制备和结论可具体参照[Chem.Mater.,10(1998)4123-4128]。
二、硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备
称取1g上述层状质子化钛酸盐H1.07Ti1.73O4·H2O,浸渍于250ml水中,加入0.6mL市售乙胺水溶液(乙胺水溶液的质量为0.408g,乙胺水溶液中的乙胺的重量百分含量为70%),机械振摇24h,得到含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液,其中,含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液中表面带负电荷的氧化钛纳米片质量为0.88g。
将上述含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液稀释至500mL,调节pH至7。随后,在搅拌条件下以每分钟10mL的速度滴加20mL硝酸镉浓度为0.2mol·L-1的硝酸镉水溶液,滴加完毕后,继续搅拌反应2h,静置2h后过滤,洗涤,在80℃下干燥24h,得到金属镉离子插层的层状相1.2g。
取1g上述金属镉离子插层的层状相置于50mL硫代乙酰胺浓度为0.2mol/L的硫代乙酰胺水溶液中,在70℃下搅拌反应1h,随后将所得产物过滤、洗涤,并置于烘箱中80℃下干燥24h,得到1.3g黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X射线粉末衍射仪得到X-射线衍射(XRD)图谱,如图1所示,结果表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电子显微镜得到的电镜照片如图2所示,表明该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电子显微镜得到的电镜照片如图3所示,表明氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸约为8nm,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外可见分光光度计得到紫外-可见吸收光谱如图4所示,结果表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例2
其他实施步骤同实施例1,仅改变加入硝酸镉的浓度,将加入的硝酸镉水溶液中的硝酸镉浓度改为0.1mol/L,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例3
其他实施步骤同实施例1,仅改变加入硝酸镉的浓度,将加入的硝酸镉水溶液中的硝酸镉浓度改为0.3mol/L,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例4
其他实施步骤同实施例1,仅改变硫代乙酰胺的浓度,将硫代乙酰胺水溶液中硫代乙酰胺的浓度改为0.1mol/L,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例5
其他实施步骤同实施例1,仅改变硫代乙酰胺的浓度,将硫代乙酰胺水溶液中硫代乙酰胺的浓度改为0.3mol/L,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例6
其他实施步骤同实施例1,仅改变金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺水溶液的热处理温度,将上述热处理温度改为60℃,即在60℃下搅拌反应1h,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例7
其他实施步骤同实施例1,仅改变金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺水溶液的热处理温度,将上述热处理温度改为80℃,即在80℃下搅拌反应1h,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例8
其他实施步骤同实施例1,仅改变金属镉离子插层的层状相在硫代乙酰胺水溶液中的热处理时间,将上述热处理时间改为0.5h,即在70℃下搅拌反应0.5h,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例9
其他实施步骤同实施例1,仅改变金属镉离子插层的层状相在硫代乙酰胺水溶液中的热处理时间,将上述热处理时间改为1.5h,即在70℃下搅拌反应1.5h,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例10
其他实施步骤同实施例1,仅改变金属镉离子插层的层状相制备过程中镉离子来源,将硝酸镉浓度为0.2mol/L的硝酸镉水溶液改为氯化镉浓度为0.2mol/L的氯化镉水溶液,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例11
其他实施步骤同实施例1,仅改变金属镉离子插层的层状相制备过程中镉离子来源,将硝酸镉浓度为0.2mol/L的硝酸镉水溶液改为醋酸镉浓度为0.2mol/L的醋酸镉水溶液,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
实施例12
其他实施步骤同实施例1,仅改变金属镉离子插层的层状相制备过程中镉离子来源,将硝酸镉浓度为0.2mol/L的硝酸镉水溶液改为硫酸镉浓度为0.2mol/L的硫酸镉水溶液,得到黄色的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
通过X-射线衍射(XRD)图谱表明,该光硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂中的硫化镉为立方相;通过扫描电镜照片表明,该硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的微观形貌呈无序堆积结构;通过透射电镜照片表明,氧化钛纳米片间生成的硫化镉纳米粒子尺寸为纳米级,而氧化钛纳米片依旧保持其二维片状结构;通过紫外-可见吸收光谱表明,经硫化镉敏化后,所得的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂在可见光区域具有明显的光谱响应。
应用例(用可见光降解罗丹明B测试催化剂的可见光催化活性)
本发明所得硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的催化活性评价体系如下:所有光催化测试都在200mL的耐热石英反应器中进行,反应过程用冷凝水冷却,维持在10℃;以罗丹明B为目标降解物,罗丹明B的浓度为10mg/L;反应期间磁力搅拌;所有光催化实验所用的催化剂量都是0.1g,罗丹明B水溶液的量为100mL;可见光源是300W的氙灯,具有类似太阳光光谱,用420nm的滤波片滤去波长小于420nm的紫外波段以确保入射光为可见光;每个光催化反应光照前都于暗室下搅拌60min以确保吸附-解吸平衡;每个反应持续120min,前30min每15min取样一次,之后每30min取样一次,每次取样量为4mL;用高速离心法将催化剂固体与溶液分离,罗丹明B的残留量用紫外-可见光谱分析,罗丹明B的特征吸收波长为554nm。催化剂分别选用实施例1制备的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂,实施例1中的碱金属钛酸盐K0.8Ti1.73Li0.27O4,以及实施例1中金属镉离子插层的层状相进行试验,并设置无催化剂作为对照试验,具体结果如图5所示。
从图5可以看出,本发明所得硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的光催化在可见光照射下能有效降解偶氮染料罗丹明B,经光照1h后,罗丹明B的降解率达90%以上,而碱金属钛酸盐K0.8Ti1.73Li0.27O4和金属镉离子插层的层状相在相同实验条件下对罗丹明B基本没有催化效果。
Claims (7)
1.一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,其特征在于,包括:将表面带负电荷的氧化钛纳米片与二价镉离子静电自组装得到金属镉离子插层的层状相;将金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺反应得到硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂,具体包括以下步骤:
1)将层状质子化钛酸盐分散在水中,再加入乙胺水溶液进行剥离,剥离后得到含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液;
所述的层状质子化钛酸盐为H0.7Ti1.825O4·H2O、H1.07Ti1.73O4·H2O、HTi1.75O4·H2O或者H0.93Ti1.77O4·H2O;
2)将步骤1)中的含表面带负电荷的氧化钛纳米片的悬浮液用水稀释并调节pH值至6~8,在搅拌条件下滴加水溶性镉盐水溶液,滴加完毕继续搅拌反应,反应后经静置、过滤、洗涤、干燥后得到金属镉离子插层的层状相;
3)将步骤2)中的金属镉离子插层的层状相置于硫代乙酰胺水溶液中在40℃~100℃反应0.25h~5h,反应后经过滤、洗涤、干燥后得到硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2)中,调节pH值至6.5~7.5。
3.根据权利要求1所述的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述的水溶性镉盐水溶液为硫酸镉水溶液、硝酸镉水溶液、氯化镉水溶液或者醋酸镉水溶液。
4.根据权利要求1所述的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述的水溶性镉盐水溶液中水溶性镉盐的浓度为0.017mol/L~1.7mol/L。
5.根据权利要求1所述的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述的干燥的条件为在60℃~120℃干燥18h~30h。
6.根据权利要求1所述的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤3)中,所述的硫代乙酰胺水溶液中硫代乙酰胺的浓度为0.02mol/L~2mol/L。
7.根据权利要求1所述的硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤3)中,所述的干燥的条件为在60℃~100℃干燥18h~30h。
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Xiaoxia Yan et al.,.Antiphotocorrosive photocatalysts containing CdS nanoparticles and exfoliated TiO2 nanosheets.《Journal of Materials Research》.2010,第25卷(第1期),182-188. |
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