CN105013536A - 一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系、制备方法及制氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可见光光解水制氢的催化体系,特别是一种含有铜离子-硫醇络合物可见光催化体系、制备方法及制氢方法。其体系包括下述原料:半导体光催化剂、铜盐或铜离子-硫醇络合物以及硫醇化合物。以半导体材料作为光催化剂,以硫醇化合物作为空穴消耗剂,加入铜盐或铜离子-硫醇络合物,在可见光照射下(λ>400纳米),光解水产生氢气。本发明所述的铜离子-硫醇络合物具有促进半导体中空穴传递与消耗的作用,能提高半导体光催化体系中光生电子与空穴的分离效率,进而提高体系光催化产氢活性。本发明首次提出以铜离子-硫醇络合物作为光催化体系的空穴消耗助催化剂,该助催化剂具有高的催化活性,且合成简单,原料廉价、可循环重复使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化体系及其制备方法。更具体地,涉及一种含有铜离子-硫醇络合物可见光催化体系及其制备方法和制氢方法。
背景技术
氢气能源作为可再生的二次能源,具有来源广、热值高、清洁、燃烧稳定性好以及存在形式多样等优点,被誉为21世纪的理想能源(EP Melián,et al.Int.J.Hydrogen Energy,2013,38:2144-2155.)。传统的氢气制备方法需要消耗大量的一次能源,这使得氢能成本增加,同时制备氢气过程中仍然无法避免矿石能源的环境污染问题也大大限制了氢能的应用。太阳能能源作为一种取之不尽,用之不竭的清洁能源,如果能够有效的利用太阳能分解水制备氢能,将能够形成一个完整的从原料水到产物水的无害良性循环,足以解决人类目前面临的能源危机的问题。
在光催化分解水制备氢气的研究中,通常的,研究者主要集中于研究发展各种无机半导体材料来获得具有合适的禁带宽度以及匹配的导价带位置的光催化剂,并取得了较大的进展,但电子与空穴的复合率过高仍然制约着产氢效率的提高。近年来,研究者发现在光催化体系中引入助催化剂,可以降低激发态电子与空穴的复合几率,降低氧化、还原反应的反应势垒,进而提高光催化反应活性。一般来说,贵金属或其化合物具备非常高的催化活性而被普遍采用作为助催化剂,如Pt(J Yu,et al.J.Phys.Chem.C,2010,114:13118-13125),Ru氧化物(AA Ismail,et al.ChemPhysChem,2011,12:982-991)等。然而,由于贵金属受资源稀缺与价格昂贵使得其在大规模应用上受到限制,同时,贵金属易被含硫的物质或是一氧化碳的毒化使其失去催化活性。因此,发展非贵金属基助催化剂是目前研究者的另一个研究重点。
自然界中,生物酶体系以其高活性与高选择性的特点受到了目前研究者的广泛关注,实际上,已经有许多的研究者报道了人工模拟氢化酶能够高效的还原质子,进而提高光催化产氢速率。然而,空穴的消耗速率对全反应速率同样重要,但目前对于人工模拟空穴消耗助催化剂还鲜有报道。因而发展 非贵金属的高效的人工模拟氧化助催化剂仍具有很大挑战。
铜离子是地球上分布十分广泛的非贵金属元素。铜离子是生物体中各种蛋白酶的主要元素之一,特别的,铜-硫键由于存在于大多数蛋白酶中并参与各种生物氧化过程。受此发,我们在本发明中介绍了一种促进半导体空穴消耗速率以此提高光催化产氢速率的含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系。此体系中,硫醇化合物作为空穴消耗剂,铜离子-硫醇络合物作为空穴消耗助催化剂,从而具有优异的光催化效果。
本发明的第二个目的在于提供一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系的制氢方法。
为达到上述第一个目的,本发明采用下述技术方案:
一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系,包括下述原料:半导体光催化剂、铜盐、铜离子-硫醇络合物以及硫醇化合物。
优选地,所述半导体光催化剂浓度为0.05mg/mL-5mg/mL;所述铜盐的浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L;所述铜离子-硫醇络合物中铜离子含量浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L;所述硫醇化合物的浓度为0.001mol/L-0.5mol/L。
优选地,所述半导体光催化剂为硒化镉、Pt/Sn2Nb2O7、AgInZn7S9、硫化镉、磷化镓(GaP)、C3N4;所述铜盐为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜、草酸铜、磷酸铜、氯化亚铜、溴化亚铜、碘化亚铜、硫酸亚铜、碳酸亚铜或氮化亚铜中的一种或多种混合物;所述铜离子-硫醇络合物为铜-半胱氨酸络合物、3-巯基丙酸-铜络合物、谷胱甘肽-铜离子络合物、巯基乙酸-铜离子络合物、巯基乙醇-铜离子络合物、巯基乙胺-铜离子络合物、二巯基乙醇-铜离子络合物的一种或多种混合物;所述硫醇化合物为3-巯基丙酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、巯基乙酸、巯基乙胺、巯基乙醇、二巯基丙醇的一种或多种混合物。
为达到上述第二个目的,本发明一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系的制备方法,包括如下步骤:
1)在装有去离子水的透明反应器中,加入水溶性的半导体光催化剂,然 后超声2-10分钟,保证催化剂在水中分散,得到混合溶液A;
2)向所述混合溶液A中加入作为空穴消耗剂的硫醇化合物,再次超声2-5分钟,得到混合溶液B;
3)向所述混合溶液B中加入铜盐或铜离子-硫醇络合物,得到混合溶液C;
4)向所述混合溶液C中加入适量的酸溶液或碱溶液,调节PH值,使体系的PH为2-9,得到混合溶液D;
5)向装有混合溶液D的反应器中通入惰性气体10-30分钟,以排除体系空气,然后密封。
优选地,所述步骤1)中的透明反应器为石英或玻璃反应器;
优选地,所述步骤1)中半导体催化剂浓度为0.05mg/mL-5mg/mL,过高的催化剂含量将导致其光吸收性能下降;
优选地,所述步骤2)中的硫醇化合物的浓度为0.001mol/L-0.5mol/L;
优选地,所述步骤3)中所述的铜盐的浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L;
优选地,所述步骤3)中所述的铜离子-硫醇络合物中铜离子含量浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L。
为达到上述第三个目的,本发明一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系的制氢方法,包括:在惰性气体氛围中,用可见光(λ>400纳米)照射反应器,制得氢气。
本发明的有益效果如下:
(1)本发明首次采用以铜离子-硫醇络合物作为空穴消耗助催化剂,构建了一个以半导体为光催化剂的高效产氢体系,该体系相比无铜离子-硫醇络合物体系的产氢速率有显著的提高;
(2)本发明中铜离子-硫醇络合物空穴助催化剂可以与目前报道的常见的质子还原助催化剂产生协同效应,进一步提升产氢速率;
(3)本发明为构建高效光催化产氢体系提供了一个新的思路。截至目前,关于以加入质子还原助催化剂来提高光催化产氢速率的方法已经有相当多的报道,而对于其对空穴消耗反应速率的优化还鲜有报道。本发明证实了优化空穴消耗速率亦可以提高光催化产氢速率;
(4)本发明中使用的金属铜化合物廉价易得,成本较低,易于大规模应用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出实施例1中铜离子-硫醇络合物作为助催化剂催化可见光光解水制氢示意图。
图2示出实施例1中采用的硒化镉半导体催化剂的SEM图。
图3示出实施例1采用的硒化镉半导体催化剂的紫外可见漫反射光谱图。
图4示出实施例1中采用的铜离子-半胱氨酸络合物的X射线光电子能谱(XPS)图。
图5示出实施例1体系的光催化产氢量(图5曲线a)、实施例1改变条件不加入铜离子-半胱氨酸络合物的体系(即对比实施例1)的光催化产氢量(图5曲线b)以及实施例1改变条件不加入5mg硒化镉光催化剂体系(即对比实施例2)的光催化产氢量(图5曲线c)。
图6示出实施例2中采用的Sn2Nb2O7半导体催化剂的SEM图。
图7示出实施例2中采用的Sn2Nb2O7半导体催化剂的紫外可见漫反射光谱图。
图8示出实施例2体系的光催化产氢量(图8曲线a)、实施例2改变条件不负载铂体系(即对比实施例3)的光催化产氢量(图8曲线b)以及实施例2改变条件不加入铜离子-半胱氨酸络合物体系(即对比实施例4)的光催化产氢量(图8曲线c)以及实施例2改变条件不加入铜离子-半胱氨酸络合物和不负载铂的体系(即对比实施例5)的光催化产氢量(图8曲线d)。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种含有铜离子-硫醇络合物可见光光催化体系及其制氢气方法,包括以下步骤:
在60mL规格石英管加入20mL去离子水,取硒化镉样品5mg于加入去离子水的石英管中,超声2-10分钟,得到悬浊液A;在悬浊液A中加入1.89mmol半胱氨酸,超声2-5分钟,得到悬浊液B;然后在悬浊液B中加入0.14mg铜离子-半胱氨酸络合物,超声3-5分钟得到溶液C;至此我们得到了铜离 子-硫醇络合物可见光光催化体系。再在溶液D中通入N2气体20-30分钟,然后用橡胶塞密封;在惰性气体氛围中,用可见光(λ>400纳米)照射反应器数小时,制得的氢气用气相色谱表征。
实施例2
首先制备Pt负载的Sn2Nb2O7,用60mL规格石英管将10mg Sn2Nb2O7粉末分散在20mL含20vol%甲醇的水溶液中,然后加入25μL H2PtCl6溶液(10mmol/L)。随后,用氮气排气30分钟将石英管内空气排除干净,然后用橡胶塞密封,然后将混合溶液在500瓦特高压汞灯(XPA-7photochemical reactor,Nanjing Xujiang Machine-electronic Plant)下光照搅拌30分钟,反应体系温度用循环水加以冷却保持室温。最后,将得到的Pt/Sn2Nb2O7催化剂通过离心分离。
重复实施例1,其区别仅在于将加入的5mg硒化镉催化剂改为10mg Pt/Sn2Nb2O7,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例3
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol硝酸铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例4
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol氯化铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例5
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol硫酸铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例6
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol氯化亚铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例7
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol草酸铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例8
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol磷酸铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例9
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol醋酸铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例10
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol溴化亚铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例11
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol碘化亚铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例12
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol硫酸亚铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例13
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol碳酸亚铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例14
重复实施例1,其区别仅在于将加入的0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.47μmol氮化亚铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例15
重复实施例1,其区别仅在于将加入的1.89mmol半胱氨酸改为加入1.89mmol3-巯基丙酸,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例16
重复实施例1,其区别仅在于将加入的1.89mmol半胱氨酸改为加入1.89mmol谷胱甘肽,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例17
重复实施例1,其区别仅在于将加入的1.89mmol半胱氨酸改为加入1.89mmol巯基乙酸,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例18
重复实施例1,其区别仅在于将加入的1.89mmol半胱氨酸改为加入1.89mmol巯基乙胺,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例19
重复实施例1,其区别仅在于将加入的1.89mmol半胱氨酸改为加入1.89mmol巯基乙醇,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例20
重复实施例1,其区别仅在于将加入的1.89mmol半胱氨酸改为加入1.89mmol二巯基丙醇,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例21
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.5μmol3-巯基丙酸-铜离子络合物,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例22
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.5μmol谷胱甘肽-铜离子络合物,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例23
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.5μmol巯基乙酸-铜离子络合物,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例24
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.5μmol巯基乙醇-铜离子络合物,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例25
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.5μmol巯基乙胺-铜离子络合物,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例26
重复实施例1,其区别仅在于将加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为加入0.5μmol二巯基乙醇-铜离子络合物,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例27
重复实施例1,其区别仅在于将加入的5mg硒化镉改为加入5mgAgInZn7S9水溶性纳米棒,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例28
重复实施例1,其区别仅在于将加入的铜离子-半胱氨酸络合物的量改为 0.8μmol,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例29
重复实施例1,其区别仅在于将加入的硒化镉的量改为20mg,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例30
重复实施例1,其区别仅在于将加入的半胱氨酸量改为1mmol,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例31
重复实施例5,其区别仅在于将0.47μmol的硫酸铜改为2.35μmol硫酸铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例32
重复实施例2,其区别仅在于将0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为1.0μmol硝酸铜,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例33
重复实施例2,其区别仅在于将0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物改为1.0μmol 3-巯基丙酸-铜离子络合物,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例34
重复实施例1,其区别仅在于将加入的5mg硒化镉改为加入10mg C3N4,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例35
重复实施例1,其区别仅在于将加入的5mg硒化镉改为加入10mg磷化镓,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
实施例36
重复实施例1,其区别仅在于将加入的5mg硒化镉改为加入10mg硫化镉,可以得到相同的高光催化产氢速率体系。
对比实施例1
重复实施例1,区别在于得到悬浊液B后,不加入铜离子-半胱氨酸络合物。
对比实施例2
重复实施例1,区别在于石英管中不加硒化镉样品。
对比实施例3
重复实施例2,区别在于不加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物。
对比实施例4
重复实施例1,区别在于将加入的10mg Pt/Sn2Nb2O7催化剂改为10mg Sn2Nb2O7。
对比实施例5
重复实施例2,区别在于将加入的10mg Pt/Sn2Nb2O7催化剂改为10mg Sn2Nb2O7,且不加入0.47μmol铜离子-半胱氨酸络合物。
图1中,为此铜离子-硫醇络合物可将光光催化制氢的示意图,从此示意图可以看出铜离子-硫醇络合物具有促进半导体中空穴传递与消耗的作用。
图2中,为所采用的硒化镉样品形貌,微球的平均直径为5.1μm,且微球的组成单元为纳米片结构,纳米片平均厚度为4.45nm。
图3中,为硒化镉紫外可见漫反射光谱图,通过计算得到其禁带宽度为2.25电子伏特。
图4中,为加入的铜离子-半胱氨酸络合物的X射线光电子能谱(XPS),其中图4a为Cu 2p的XPS光谱,图4b为Cu LMM俄歇谱,通过这两图谱可以证明铜离子在络合物中以一价的形式存在,并且结合有机元素分析与元素分析(ICP)确定了该络合物中铜离子与半胱氨酸的比例为1:2.2。
图5中,为体系的光催化产氢结果曲线图,其中图5曲线a为实施例1中催化体系在390分钟光照时间内总产氢量为304μmol;图5曲线b为对比实施例1中催化体系在390分钟光照时间内总产氢量为2μmol;图5曲线c为对比实施例2中催化体系的产氢量,该体系没有产氢活性。因此,在以硒化镉为半导体光催化剂,以半胱氨酸为空穴消耗剂条件下,铜离子-半胱氨酸络合物有效的提高了光催化产氢速率达150倍之多。
图8中,从实施例2的产氢量(图8曲线a)与对比实施例3(图8曲线b)、对比实施例4(图8曲线c)、对比实施例5(图8曲线d)中对比可以看出铜离子-半胱氨酸络合物与铂颗粒在以Sn2Nb2O7为光催化剂的体系中产生协同作用,共同构筑了高光催化产氢速率体系。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系,其特征在于,包括下述原料:半导体光催化剂、铜盐、铜离子-硫醇络合物及硫醇化合物。
2.根据权利要求1所述的一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系,其特征在于:所述半导体光催化剂浓度为0.05mg/mL-5mg/mL;所述铜盐的浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L;所述铜离子-硫醇络合物中铜离子含量浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L;所述硫醇化合物的浓度为0.001mol/L-0.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系,其特征在于:所述半导体光催化剂为硒化镉、Pt/Sn2Nb2O7、AgInZn7S9、硫化镉、磷化镓、C3N4;所述铜盐为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜、草酸铜、磷酸铜、氯化亚铜、溴化亚铜、碘化亚铜、硫酸亚铜、碳酸亚铜或氮化亚铜中的一种或多种混合物;所述铜离子-硫醇络合物为铜-半胱氨酸络合物、3-巯基丙酸-铜络合物、谷胱甘肽-铜离子络合物、巯基乙酸-铜离子络合物、巯基乙醇-铜离子络合物、巯基乙胺-铜离子络合物、二巯基乙醇-铜离子络合物的一种或多种混合物;所述硫醇化合物为3-巯基丙酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、巯基乙酸、巯基乙胺、巯基乙醇、二巯基丙醇的一种或多种混合物。
4.如权利要求1所述的一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)在装有去离子水的透明反应器中,加入水溶性的半导体催化剂,然后超声2-10分钟,保证催化剂在水中分散,得到混合溶液A;
2)向所述混合溶液A中加入空穴消耗剂硫醇化合物,再次超声2-5分钟,得到混合溶液B;
3)向所述混合溶液B中加入铜盐或铜离子-硫醇络合物,得到混合溶液C;
4)向所述混合溶液C中加入适量的酸溶液或碱溶液,调节PH值,使体系的PH为2-9,得到混合溶液D;
5)向装有混合溶液D的反应器中通入惰性气体10-30分钟,以排除体系空气,然后密封。
5.根据权利要求4所述的铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中的透明反应器为石英或玻璃反应器,半导体光催化剂浓度为0.05mg/mL-5mg/mL;步骤2)中的硫醇化合物的浓度为0.001mol/L-0.5mol/L;步骤3)中所述的铜盐的浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L,铜离子-硫醇络合物中铜离子含量浓度为0.0001mol/L-0.005mol/L。
6.如权利要求4所述的一种含有铜离子-硫醇络合物的可见光催化体系的制氢方法,其特征在于:在惰性气体氛围中,用可见光(λ>400纳米)照射装有混合溶液D的反应器,制得氢气。
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