CN104923278A - 一种新型石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂及其制备和应用。特别是新型石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂用于可见光下分解水制氢。石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂的制备和应用步骤为:(1)利用尿素-玻璃法制备石墨烯基Mo2N-Mo2C复合物;(2)使用简单沉淀法,制备石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂;(3)测试可见光下石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂的产氢活性。石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂的产氢活性较单独的CdS产氢活性提高了20倍左右。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂及其制备和应用
背景技术
随着社会和经济的发展,能源短缺和环境污染两大问题已经越来越限制社会的发展和进步。发展新型可持续的新能源时一种切实有效的解决这一问题的途径。在众多新能源中,仅能受到了大量的关注,这主要是因为氢能具有高热值、清洁无污染、易储存运输以及多用途的特性。光催化制氢是近年来研究的一个热点问题,光催化制氢可以利用自然界中的太阳能分解水制取氢气,在光催化制氢的过程中不需要加入别的能量。因此,光催化制氢是一种可持续、清洁的获取新能源的途径。
在传统的光催化剂中,贵金属可以有效地提光催化产氢,但是贵金属具有储量低、价格高的缺点,并不适合工业化应用。因此开发非贵金属助催化剂就是很有必要的。目前石墨烯基金属氮化物作为非贵金属助催化剂还没有报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种石墨烯基Mo2N-Mo2C可以作为光催化助催化剂,石墨烯基Mo2N-Mo2C在光催化中的效果好于Pt等传统贵金属助催化剂的效果。并提出了两种复合光催化剂的制备,从而实现了可见光下高效分解水。
本发明技术是通过以下技术方案来解决的:
一种石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂,
由石墨烯与Mo2N、Mo2C中的一种或二种组成石墨烯基Mo2N-Mo2C复合助催化剂,石墨烯与Mo2N、Mo2C中的一种或二种的重量比为1:10-10:1,优选重量比为1:5-3:1,最优重量比为1:2;
由重量比为1:100-1:3的石墨烯基Mo2N-Mo2C复合助催化剂和CdS组成复合光催化剂,优化重量比为1:50-1:5,最优重量比为1:20。
所述复合光催化剂是指在硫化镉沉淀形成之前,使石墨烯基Mo2N-Mo2C颗粒分散于醋酸镉溶液中,在向醋酸镉溶液中滴加硫化钠溶液之后,硫化镉沉淀迅速形成,并与石墨烯基Mo2N-Mo2C进行了类似于包裹状的结合。由于石墨烯基Mo2N-Mo2C的量相较于硫化镉的量很少,因此可以认为是石墨烯基Mo2N-Mo2C负载于硫化镉,石墨烯基Mo2N-Mo2C和硫化镉组成了复合光催化剂。
石墨烯基Mo2N-Mo2C复合助催化剂中的Mo2N和Mo2C不同比例是通过调节尿素的加入量来得到的。在调节比例的时候,也可以得到石墨烯基Mo2N以及石墨烯基Mo2C两种助催化剂。
一种石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂,其按如下步骤制备获得:
1)制备石墨烯基Mo2N-Mo2C:在氧化石墨的乙醇溶液中加入五氯化钼和尿素,将得到的混合物在但其中进行高温焙烧,就得到了石墨烯基Mo2N-Mo2C。
2)制备石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂:将石墨烯基Mo2N-Mo2C超声分散于醋酸镉溶液中,向醋酸镉溶液中缓慢滴加硫化钠溶液,并保持强力搅拌,将得到的混合物洗涤、干燥就得到了石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂。
步骤1)中,尿素和五氯化钼的摩尔比为1:10-10:1,优选为1:3-4:1。五氯化钼和氧化石墨的质量比为10:1-1:10,优选为3:1-1:5。
氮化的温度为400-1200℃,优选为600-900℃,氮化时间为2-10h,优选为3-7h,氮气的流量为20-540ml/min,优选为50-200ml/min。
步骤2)中,醋酸镉和硫化钠的浓度相同,浓度为0.001-1mol/L,优选为0.1-1mol/L,烘干温度为60-180℃,优选为60-120℃,烘干时间为1-8h,优选为2-7h。
该催化剂用于光催化分解水制氢反应中。
反应原料为:蒸馏水、催化剂、乳酸;原料的用量比例为:复合光催化剂0.01-2g,蒸馏水20ml-350ml,乳酸5-20ml。反应温度为-20-80℃,反应时间为1-10h,光源为15-450W氙灯或者汞灯。
测试可见光下石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂的产氢活性,较单独的CdS产氢活性提高了20倍。
使用非贵金属化合物Mo2N作为光催化助催化剂具有储量丰富、成本低廉、光催化活性高的优点。
附图说明
图1.在没有加入氧化石墨的情况下,通过改变尿素的加入量,分别可以得到不同的Mo2N、Mo2C和Mo2N-Mo2C不同的助催化。在加入氧化石墨之后,改变尿素的加入量,分别可以得到不同的Mo2N/GR、Mo2C/GR和Mo2N-Mo2C/GR不同的助催化。
图2.不同助催化剂与硫化镉形成复合光催化剂的产氢活性示意图。
具体实施方式
以下将通过具体的实施例对发明做进一步阐述:
实施例1:
1)制备石墨烯基Mo2N-Mo2C:在乙醇溶液中加入0.35g氧化石墨,然后加入2g五氯化钼,最后再加入0.44g尿素,然后在750摄氏度的氮气氛围下氮化4h得到石墨烯基Mo2N-Mo2C。
2)制备石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂:称取0.1g石墨烯基Mo2N-Mo2C超声分散于乙酸镉溶液中,乙酸镉浓度为0.14mol/L,体积为120mL,向分散液中缓慢滴加100mL硫化钠溶液,溶液浓度为0.14mol/L,分离得到固体混合物,将得到的混合物依次用蒸馏水和乙醇洗涤然后再真空烘箱中干燥,干燥温度为90℃,干燥时间为6h;得到光催化剂。
3)光催化制氢反应:将0.1g光催化剂加入到乳酸溶液中,溶液体积为100mL,溶液中含有10ml乳酸,采用350W氙灯作为光源,使用420nm滤光片滤掉紫外光,光照时间为1h。
与图1对应,在步骤2)之后,得到的助催化剂经过XRD检测,证实得到的是石墨烯基Mo2N-Mo2C(Mo2N-Mo2C/GR)助催化剂。
在图2中,可以看到在该反应中,产生452μmol氢气,较单独CdS提高了20倍(采用0.1gCdS代替光催化剂作为对照)。
实施例2
同实例1,与实施例1不同之处在于,步骤1)中不加入氧化石墨。
与图1对应,在步骤2)之后,得到的助催化剂经过XRD检测,证实得到的是Mo2N-Mo2C助催化剂。
在图2中,可以看到在该反应中,产生360μmol氢气,较单独CdS提高了15倍(采用0.1gCdS代替光催化剂作为对照)。
对比实例1和实例2可以发现由于石墨烯(GR)的存在,复合光催化剂的活性有明显提高。
实施例3
同实例1,与实施例1不同之处在于,步骤1)中加入的尿素为0.22g。
与图1对应,在步骤2)之后,得到的助催化剂经过XRD检测,证实得到的助催化剂是石墨烯基Mo2N(Mo2N/GR)
在图2中,可以看到在该反应中,产生350μmol氢气,较单独CdS提高了14倍(采用0.1gCdS代替光催化剂作为对照)。
对比实例1和实例3,可以发现Mo2N-Mo2C/GR复合助催化剂相比于Mo2N/GR,可以提高更多的光催化活性。
实施例4
同实例1,与实施例1不同之处在于,步骤1)中加入的尿素为3.52g。
与图1对应,在步骤2)之后,得到的助催化剂经过XRD检测,证实得到的助催化剂是石墨烯基Mo2C(Mo2C/GR)
在图2中,可以看到在该反应中,产生420μmol氢气,较单独CdS提高了17倍(采用0.1gCdS代替光催化剂作为对照)。
对比实例1和实例3,可以发现Mo2N-Mo2C/GR复合助催化剂相比于Mo2C/GR,可以提高更多的光催化活性。
从实例1-4的对比可以发现。Mo2N-Mo2C/GR复合助催化剂相较于Mo2C/GR、Mo2N/GR和Mo2N-Mo2C都能提高更多的光催化活性,说明Mo2N、Mo2C和GR三者之间形成了很好的协同作用。
Claims (9)
1.一种新型石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂,其特征在于:
由石墨烯与Mo2N、Mo2C中的一种或二种组成石墨烯基Mo2N-Mo2C复合助催化剂,石墨烯与Mo2N、Mo2C中的一种或二种的重量比为1:10-10:1,优选重量比为1:5-3:1,最优重量比为1:2;
由重量比为1:100-1:3的石墨烯基Mo2N-Mo2C复合助催化剂和CdS组成复合光催化剂,优化重量比为1:50-1:5,最优重量比为1:20。
2.一种权利要求1所述石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂的制备方法,其按如下步骤制备获得:
1)石墨烯基Mo2N-Mo2C的制备:以尿素作为碳源和氮源,采用尿素-玻璃法备石墨烯基Mo2N-Mo2C;
2)石墨烯基Mo2N-Mo2C作为助催化剂在光催化中起作用,石墨烯基Mo2N-Mo2C负载于CdS上,石墨烯基Mo2N-Mo2C负载于CdS的方法为浸渍法、水热法、沉淀法、机械混合法、负载法、化学交联法、或化学沉积法。
3.一种权利要求1所述石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂的制备方法,其按如下步骤制备获得:
1)制备石墨烯基Mo2N-Mo2C:将Mo源、尿素、石墨烯前驱体形成复合物,将得到的该复合物在氮气中进行氮化、碳化,得到石墨烯基Mo2N-Mo2C,氮化过程可以是高温或常温进行,温度区间为20℃-3000℃;
2)制备石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂:将石墨烯基Mo2N-Mo2C超声分散于醋酸镉溶液中,向醋酸镉溶液中滴加硫化钠溶液,形成CdS沉淀,使石墨烯基Mo2N-Mo2C与CdS结合在一起,收集固体沉淀混合物,将得到的混合物洗涤、干燥形成石墨烯基Mo2N-Mo2C/CdS复合光催化剂。
4.按照权利要求3所述的制备方法,其特征在于:
步骤1)中,高温氮化和碳化的温度为400-1200℃,氮化和碳化时间为2-10h;优选高温氮化和碳化的温度为600-900℃,优选氮化和碳化时间为3-7h,氮气的流量为20-540ml/min,优选为50-200ml/min。
5.按照权利要求3所述的制备方法,其特征在于:
步骤2)中,醋酸镉和硫化钠的浓度相同,浓度为0.001-1mol/L,优选为0.1-1mol/L,烘干温度为60-180℃,优选为60-120℃,烘干时间为1-8h,优选为2-7h;醋酸镉与硫化钠摩尔用量比为1:3-3:1,优选为1:2-2:1。
6.按照权利要求3所述的制备方法,其特征在于:
步骤1)中:
Mo源与尿素的用量质量比为1:0.05-1:50,Mo源与石墨烯前驱体的用量比为1:0.001-1:100;
制备石墨烯基Mo2N-Mo2C所用的钼源可以是钼酸盐、钼粉、氯化钼、硫化钼、氧化钼、钼酸、乙酰丙酮钼中的一种或二种以上;
制备石墨烯基Mo2N-Mo2C的前驱体可以是氧化石墨和石墨烯中的一种或二种以上。
7.一种权利要求1所述复合光催化剂的应用,其特征在于:该催化剂用于光催化或光电催化分解水制氢反应中。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于:
1)复合光催化剂的应用不限于光催化反应,或也可用于光电催化反应;
2)光催化或光电催化反应在光照条件下进行,光源可以是太阳光、汞灯、Xe灯、Led灯以及其他能提供紫外光或可见光的光源中的一种或二种以上;
3)光催化或光电催化反应需要有水的存在,可以是蒸馏水、去离子水、海水、湖水或者其他的水和水溶液中的一种或二种以上;
4)光催化或光电催化反应中可以加入牺牲剂,也可以不加牺牲剂;牺牲剂以一些容易被氧化的物质为主,例如:甲醇、乙醇、甲醛、乳酸、硫化钠、亚硫酸钠等具有还原性物质中的一种或二种以上;
5)光催化或光电催化反应制取氢气、氧气、或氢气和氧气。
9.根据权利要求7所述的应用,其特征在于:
反应原料为:蒸馏水、催化剂、乳酸;原料的用量比例为:复合光催化剂0.01-2g,蒸馏水20ml-350ml,乳酸0.1ml-1000ml;反应温度为-20-80℃,反应时间为1-10h,光源为15-450W氙灯或者汞灯。
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