CN103586050B - 一种光催化分解水制氢材料CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3及其制备方法 - Google Patents

一种光催化分解水制氢材料CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3及其制备方法 Download PDF

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一种光催化分解水制氢材料CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3是由CdS负载到Ba0.4Sr0.6TiO3而形成的具有异质结构的催化剂，本发明的催化剂是通过一步水热法制备得到的。当CdS与Ba0.4Sr0.6TiO3的摩尔比为0.4:1时，其表达式为40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3，材料的催化效果最佳。在模拟太阳光下，以Na2S/Na2SO3为牺牲试剂，本发明的材料40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3在无贵金属共催化的情况下，光催化分解水产氢气效率达到1268.4 mol·h-1·g-1。本发明的优点是：1、本发明的催化剂是采用一步水热法直接合成，其操作简单、生产成本低廉、合成的产率较高，纯度也很高以及重复性好，适合扩大化生产的要求；2、本发明的催化剂稳定性好，便于重复利用；3、本发明的催化剂在模拟太阳光下，光催化产氢率非常高。

Description

一种光催化分解水制氢材料CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型光催化分解水制氢材料CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3及其制备方法。
背景技术
能源是人类活动的基础及人类社会发展的物质前提，与传统的化石能源(如煤、石油)相比，氢气能是一种清洁能源，它可以从水中获得，完全燃烧后的产物是水，不会对环境造成任何污染，是世界上最干净的能源。虽然目前利用天然气、石油 、煤等化石能源通过热化学法制取氢的技术比较成熟，但它既不不经济，又不环保，而电解水的方法耗能较大，如果我们可以利用可再生能源（如太阳能）分解水产生氢气，那么氢气可以称为真正的“绿色能源”。
1972年 Fujishima首次报道了可在以 TiO2为光阳极的光电化学电池中 , 用紫外光照射光阳极使水分解为 H2和O2，这是具有“ 里程碑 ” 意义的一个重要发现 , 这预示着人们能利用廉价的太阳能通过半导体催化使水分解从而获得清洁的氢燃料。近年来，由于TiO2具有廉价、无毒等优点被而广泛应用在光催化研究的各个领域。但是这种光催化剂在实际应用中并不理想，存在着可见光利用率低、不易回收、制备条件苛刻、光生电子和空穴容易复合等缺点。因此，有必要探索和开发新型的光催化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光催化分解水制氢材料CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3及其制备方法，为解决当今能源问题提供了新材料。本发明的材料制备是采用一步水热法，其操作简单、生产成本低廉、合成的产率较高，纯度也很高以及重复性好，适合扩大化生产的要求。
本发明是这样来实现的，其特征是催化剂是由CdS负载到Ba0.4Sr0.6TiO3而形成的异质结催化剂。当CdS与Ba0.4Sr0.6TiO3的摩尔比为0.4:1时，其表达式为40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3，材料的光催化效果最佳。在模拟太阳光的诱导下，以Na2S/Na2SO3为牺牲试剂，在无贵金属共催化的情况下，催化剂40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3的光催化分解水产氢率达到1268.4 mol·h-1·g-1。
本发明的的催化剂CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3的制备方法为:先将4毫摩尔（1.0454克）的硝酸钡和6毫摩尔（1.2698克）的硝酸锶分散于25毫升2mol/L氢氧化钠溶液中，搅拌30分钟，得到A溶液。然后将10毫摩尔（3.4mL）的钛酸四正丁酯溶解于5mL的无水乙醇中，搅拌均与得到B溶液。将B溶液倒入在冰水浴中搅拌的A溶液中，搅拌30分钟后得到C溶液。将4毫摩尔（1.0661克）的乙酸镉溶解于5mL去离子水中，缓慢滴加至C溶液中，超声分散15分钟后得到D溶液。将4毫摩尔（0.9607克）的硫化钠溶解于5毫升的去离子水中，缓慢滴加至D溶液中，超声分散15分钟。将上述溶液装入100毫升的聚四氟乙烯的反应釜中，放入200℃的马弗炉中水热反应4小时。将水热反应后的样品进行多次过滤、洗涤，干燥后放入马弗炉中，200℃煅烧6小时后研磨，得到目标催化剂。
本发明的优点是：1、本发明的催化剂是采用一步水热法直接合成，其操作简单、生产成本低廉、合成的产率较高，纯度也很高以及重复性好，适合扩大化生产的要求；2、本发明的催化剂稳定性好，便于重复利用；3、本发明的催化剂在模拟太阳光下，光催化产氢效率非常高。
附图说明
图1为本发明的催化剂与纯的Ba0.4Sr0.6TiO3、CdS以及其他负载比例的CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3异质结催化剂的X射线粉末衍射对比图（图中0%代表Ba0.4Sr0.6TiO3、10%代表10%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO36、20%代表20%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3、30%代表30%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3、40%代表40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3、50%代表50%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3以及CdS代表纯的CdS的标准粉末衍射峰）。
图2为本发明的催化剂与纯的Ba0.4Sr0.6TiO3、CdS以及其他负载比例的CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3异质结催化剂的紫外-可见漫反射比较图（图中0%代表Ba0.4Sr0.6TiO3、10%代表10%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO36、20%代表20%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3、30%代表30%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3、40%代表40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3、50%代表50%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3、100%代表纯的CdS）。
图3为本发明的催化剂的EDS（Energy Dispersive Spectrometer）能谱图。
图4为本发明的催化剂中的Ti 2p，O1s，Ba 3d，Sr 3d，Cd3d和S2p的X射线光电子能谱图。
图5为本发明的催化剂与Ba0.4Sr0.6TiO3以及其他负载比例的CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3异质结催化剂在模拟太阳光的诱导下，以Na2S/Na2SO3为牺牲试剂，在无贵金属共催化的情况下，光催化分解水产氢的比较效果图。
图6为本发明的催化剂在无贵金属共催化的情况下，以Na2S/Na2SO3为牺牲试剂，在模拟太阳光的长期诱导下的产氢效果图。
具体实施方式
本发明的催化剂材料的合成：
先将4毫摩尔（1.0454克）的硝酸钡和6毫摩尔（1.2698克）的硝酸锶分散于25毫升2mol/L氢氧化钠溶液中，搅拌30分钟，得到A溶液。然后将10毫摩尔（3.4mL）的钛酸四正丁酯溶解于5mL的无水乙醇中，搅拌均与得到B溶液。将B溶液倒入在冰水浴中搅拌的A溶液中，搅拌30分钟后得到C溶液。将4毫摩尔（1.0661克）的乙酸镉溶解于5mL去离子水中，缓慢滴加至C溶液中，超声分散15分钟后得到D溶液。将4毫摩尔（0.9607克）的硫化钠溶解于5毫升的去离子水中，缓慢滴加至D溶液中，超声分散15分钟。将上述溶液装入100毫升的聚四氟乙烯的反应釜中，放入200℃的马弗炉中水热反应4小时。将水热反应后的样品进行多次过滤、洗涤，干燥后放入马弗炉中，200℃煅烧6小时后研磨，得到目标催化剂。
如图1所示，经X射线粉末衍射测试表明，本发明的催化剂与纯的Ba0.4Sr0.6TiO3进行对比，在X射线粉末衍射图中主峰位置没有发生变化，说明负载硫化镉没有破坏Ba0.4Sr0.6TiO3的结构，并且随着硫化镉的负载量增加，硫化镉的峰逐渐增强，说明硫化镉负载到Ba0.4Sr0.6TiO3而不是掺杂到Ba0.4Sr0.6TiO3结构中。另外从图2可以看出，所有光催化剂随着硫化镉含量的增多催化剂的带隙宽度（Eg值）呈现有序的变化。从图3可知本发明的催化剂含有Ti，O，Ba，Sr，Cd和S等元素并结合图4 可知这些元素分别以Ti4+， O2-，Ba2+， Sr2+， Cd2+ 和S2-形式存在。另外，通过元素分析测试表明，该材料中的Ba2+和Sr2+的摩尔数比为2:3。因此，综合以上测试可以证明本发明的催化剂是由Ba0.4Sr0.6TiO3与CdS组成的具有异质结结构的光催化材料。如图4所示，本发明的催化剂40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3在模拟太阳光的诱导下（元素分析结果也证实了材料中的CdS和Ba0.4Sr0.6TiO3的摩尔数比为0.4:1），以Na2S/Na2SO3为牺牲试剂，在无贵金属共催化的情况下，光催化分解水的产氢速率达到1268.4mol·h-1·g-1。与单一的Ba0.4Sr0.6TiO3以及其他负载比例的CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3异质结催化剂相比较，在相同实验条件下，本发明的光催化剂40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3的光催化分解水产氢催化效果最佳。并由图6可知，本发明的催化剂在模拟太阳光的长期诱导下，光催化产氢速率稳定，说明本发明的催化剂具有较好的光学稳定性。
本发明的催化剂是采用一步水热法直接合成，其操作简单、生产成本低廉、合成的产率较高，纯度也很高以及重复性好，适合扩大化生产的要求；本发明的催化剂稳定性好，便于重复利用；本发明的催化剂在模拟太阳光下，光催化产氢效果较好，是理想的光催化分解水产氢材料。

Claims (1)

1.一种光催化分解水制氢材料40%CdS/Ba0.4Sr0.6TiO3异质结构催化剂的制备方法，其特征是:先将4毫摩尔（1.0454克）的硝酸钡和6毫摩尔（1.2698克）的硝酸锶分散于25毫升2mol/L氢氧化钠溶液中，搅拌30分钟，得到A溶液；然后将10毫摩尔（3.4mL）的钛酸四正丁酯溶解于5mL的无水乙醇中，搅拌均匀得到B溶液；将B溶液倒入在冰水浴中搅拌的A溶液中，搅拌30分钟后得到C溶液；将4毫摩尔（1.0661克）的乙酸镉溶解于5mL去离子水中，缓慢滴加至C溶液中，超声分散15分钟后得到D溶液；将4毫摩尔（0.9607克）的硫化钠溶解于5毫升的去离子水中，缓慢滴加至D溶液中，超声分散15分钟；将上述溶液装入100毫升的聚四氟乙烯的反应釜中，放入200℃的马弗炉中水热反应4小时；将水热反应后的样品进行多次过滤、洗涤，干燥后放入马弗炉中，200℃煅烧6小时后研磨，得到目标催化剂。
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