CN105195146B - 黑色TiO2包覆金属铜纳米光催化剂的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂的制备方法和应用。该制备方法分为两步:首先是纳米金属铜粒子的制备,包括氧化铜‑氧化铝复合物的合成、氧化铝的去除和纳米氧化铜的还原;其次,在惰性或氢气氛保护下,钛源在金属铜纳米粒子表面水解沉积,经干燥和真空焙烧得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米催化剂。该方法具有无需表面活性剂即得纳米金属铜粒子、制备成本低的特点。通过本发明方法制得的催化剂可见光区域全色响应、光生载流子分离效率高,进而在可见光下展示较好的光还原CO2活性。并且,催化剂中金属铜纳米粒子在光催化反应过程中不被氧化。
Description
技术领域
本发明涉及一种黑色TiO2包覆金属铜纳米光催化剂的制备方法和应用。
背景技术
近年来,温室效应和能源问题受到广泛关注。其中,温室气体二氧化碳主要的来源于化石燃料的燃烧。基于在未来几十年化石燃料仍然作为主要能量来源的事实,二氧化碳的处理技术,如利用生物固定、物理/化学吸附、化学转化等方法,近年来一直是研究的热点。在这些技术中,光催化还原二氧化碳不但减少了二氧化碳的排放量,还将为二氧化碳转化为具有经济价值的碳氢燃料。该过程在常温常压下进行,原料简单易得,直接利用太阳能无需耗费辅助能源,可真正实现碳的循环使用。
二氧化钛(TiO2)因其无毒、稳定性好、价格低廉成为最常用的光催化材料,其在紫外光照射的条件下可以催化还原二氧化碳。然而,二氧化钛因其带隙较宽(如锐钛矿TiO2为3.2eV),只吸收太阳光谱近4%的紫外辐射,不能充分的利用太阳光;人们围绕TiO2发展了一系列调控策略(染料敏化,离子掺杂,与窄带隙半导体复合、制造缺陷等),TiO2基光催化材料的可见光响应能力得到很大的提高。但是,上述策略有可能产生新的光生电子-空穴复合中心,导致光催化效率显著降低。
金属/TiO2复合光催化剂体系在促进光生电子-空穴分离方面有巨大优势。一方面,金属与半导体界面上形成肖特基结。半导体的功函数一般小于金属,促使半导体光生电子向金属转移,从而降低了光生电子-空穴复合几率。另一方面,金属如金、银、铜、铂在特定波长可见或红外光辐射下产生等离子体共振效应。金属的共振电子转移到半导体导带上,减缓半导体光生载流子的复合。同时,共振产生表面局部强电场,促进半导体/金属接触微区的光生载流子分离。关于Au、Ag、Pt、Ru等金属与TiO2复合体系的报道较多。如:专利[一种二氧化钛复合纳米金光催化的制备方法,申请号:201510136153.3]利用光沉积法制备的Au/TiO2复合光催化剂展示了较高光催化活性;专利[纳米银负载二氧化钛光催化剂的制备方法,申请号:201510053214.X]制备的Ag/TiO2光催化剂比纳米二氧化钛具有更高的催化活性;专利[贵金属定向负载二氧化钛光催化剂及制备方法,申请号:201110348621.5]公开了一种贵金属定向负载二氧化钛光催化剂及制备方法。其中,贵金属为铂、金、钌、铑、银、钯中的一种或或几种,复合催化剂可用于废水溶液中有机污染物的光降解。与贵金属相比,金属铜价格便宜且在可见光区(波长560nm左右)具有强的等离子体共振效应。但是,金属铜纳米粒子易被氧化成氧化亚铜和氧化铜。这限制了其在光催化领域的应用。
构建TiO2包覆金属铜纳米粒子体系能有效保护金属铜免于被氧化。专利[申请号分别为 201110258150.9、201410432193.8和201310168522.8]公开了三种TiO2包覆金属铜纳米材料的制备方法和及其应用。虽然它们与本发明都是关于TiO2包覆金属铜纳米粒子的制备方法和应用,但是在合成方法和应用上存在明显不同。本发明提供的方法主要分为两步:首先制备金属铜纳米粒子。再利用有机钛在金属铜粒子表面水解,形成TiO2包覆金属铜的纳米粒子。本发明制得的光催化用于光催化还原CO2制一氧化碳和甲烷。
发明内容
本发明目的在于,提供一种黑色TiO2包覆金属铜纳米光催化剂的制备方法和应用,该方法主要分为两步:(1)金属铜纳米粒子的制备,包括氧化铜与氧化铝复合物的制备、氧化铝的去除以及氧化铜的还原,从而获得纳米金属铜。它是基于复合氧化物之间具有相互分散的特性;(2)TiO2包覆金属铜,包括纳米铜粒子与钛源混合,钛源在铜纳米粒子表面水解沉积,形成包覆层。该方法具有无需表面活性剂即的纳米金属铜粒子,制备成本低等优点。通过本发明方法制得TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂对光还原二氧化碳具有较好的可见光活性。解决了纳米铜金属粒子在光催化过程中易被氧化的问题。
本发明所述的一种黑色TiO2包覆金属铜纳米光催化剂的制备方法,该方法无需表面活性剂辅助即可制得二氧化钛包覆纳米金属铜的纳米光催化剂,具体操作按下列步骤进行:
a、将可溶性铜盐为硝酸铜水溶液和铝盐为硝酸铝水溶液的混合溶液与沉淀剂为碳酸钠溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,反应获得蓝色沉淀,将沉淀先用蒸馏水洗涤5次,再用无水乙醇洗涤1次,在烘箱中温度120℃烘干后,在温度400-500℃焙烧1-3小时,得氧化铜与氧化铝的复合物;
b、将步骤a得到的复合物分散到100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,再将纳米氧化铜粉末,在温度240-300℃下用氢气还原1-3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将步骤b中得到的金属铜纳米粒子,在惰性为高纯氦气、高纯氩气或高纯氮气,或氢气氛保护下,用超声波分散到pH值为2-4的水/盐酸的乙醇溶液中,同时,逐滴滴加含钛源为钛酸丁酯的乙醇溶液、钛酸异丙酯的乙醇溶液或钛酸乙酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶经老化3-4小时后,在高纯氦气、高纯氩气或高纯氮气,或氢气氛中温度130-150℃干燥2-3小时,然后真空条件下,温度400-500℃焙烧1-3小时,即得黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂。
步骤a中硝酸铜和硝酸铝的水溶液中Cu2+与Al3+的质量比为1:1-1:6。
步骤a中沉淀剂碳酸钠溶液中Na+的浓度为0.1-2mol/L。
步骤a中碳酸钠与硝酸铜和硝酸铝的总化学计量过量5%-15%。
步骤c中金属铜与钛源的质量比为1:30-1:400。
步骤c中水和钛源的质量比为1:2-1:5。
所述制备方法获得的黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂在制备二氧化碳光还原中的 用途。
本发明所述方法获得的TiO2包覆金属铜纳米光催化剂在紫外-可见光区域全色光响应,光生电子-空穴分离效率比TiO2明显提高。
本发明所述的TiO2包覆金属铜纳米光催化剂的制备方法,通过该方法获得的催化剂在二氧化碳光还原中的用途,具体光催化还原CO2制备一氧化碳和甲烷步骤为:
将得到的光催化剂粉末与水以质量比为1:2000混合,经超声得均匀悬浊液,并将其倒入特制的半径为50cm砂芯漏斗中,过滤后,催化剂粉末均匀地平铺于砂芯上,并将载有光催化的砂芯漏斗置于带有真空机械泵的光催化反应装置中,向光催化反应装置中冲入含水蒸气的CO28-50kPa,用氙灯垂直照射砂芯漏斗中的光催化剂,进行CO2光催化还原制备CO和甲烷的反应。
按本发明方法制得的TiO2包覆金属铜纳米光催化剂,具有较强的可见光催化还原CO2能力,催化过程中,金属铜纳米粒子不被氧化。
附图说明
图1为本发明所制备TiO2包覆金属铜纳米光催化剂粉末衍射XRD谱图,其中(a)为TiO2,(b)为1%Cu@TiO2,(c)为2%Cu@TiO2,(d)为4%Cu@TiO2;—■—为锐钛矿TiO2,—●—为金属铜;
图2为本发明所制备4%Cu@TiO2透射电子显微镜照片;
图3为本发明所制备TiO2包覆金属铜纳米光催化剂紫外-可见吸收光谱,其中(a)为TiO2,(b)为1%Cu@TiO2,(c)为2%Cu@TiO2,(d)为4%Cu@TiO2;
图4为本发明所制备TiO2包覆金属铜纳米光催化剂瞬态光电流测定,其中(a)为TiO2,(b)为1%Cu@TiO2,(c)为2%Cu@TiO2,(d)为4%Cu@TiO2;
图5为本发明所制备本发明所制备TiO2包覆金属铜纳米光催化剂光催化还原二氧化碳的效果图,其中图(A)和(B)中的(a)为TiO2,(b)为1%Cu@TiO2,(c)为2%Cu@TiO2,(d)为4%Cu@TiO2。
具体实施方式
以下结合实施例进一步描述本发明。
实施例1
a、称取2.41克Cu(NO3)2·3H2O、11.25克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取6.4克碳酸钠溶于100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,生成蓝色沉淀,将沉淀先用蒸馏水洗涤5次,再用无水乙醇洗涤1次,在烘箱中温度120℃烘干后,然后温度400℃焙烧3小时,得到氧化铜和氧化铝的复合物;
b、将复合物分散到100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,再称取纳米氧化铜粉末0.0028克,在温度240℃下用氢气还原3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在氢气氛保护条件下,用超声波分散到pH值为2的3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.2克),同时,逐滴滴加3ml含0.84钛酸丁酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化3小时后,在氢气氛中温度130℃干燥3小时,然后真空条件下,温度400℃焙烧3小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例2:
a、称取2.14克Cu(NO3)2·3H2O、11.25克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取6.7克碳酸钠溶于成100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,生成蓝色沉淀,将沉淀先用蒸馏水5次,再用无水乙醇洗涤1次,在烘箱中温度120℃烘干,马弗炉中温度450℃焙烧2小时,得到氧化铜和氧化铝的复合氧化物;
b、将复合氧化物分散到100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,称取纳米氧化铜粉末0.004克,在温度250℃用氢气还原3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在高纯氦气保护条件下,用超声波分散到pH值为4的3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.2克),同时,逐滴滴加3ml含0.84钛酸丁酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化4小时后,在高纯氦气中温度140℃干燥2小时,然后真空条件下,温度450℃焙烧2小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例3:
a、称取2.14克Cu(NO3)2·3H2O、15.00克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取8.16克碳酸钠溶于成100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,生成蓝色沉淀,再将沉淀先用蒸馏水5次,再用无水乙醇洗涤1次,在烘箱中温度120℃烘干,马弗炉中温度500℃焙烧1小时,得到氧化铜和氧化铝的复合氧化物;
b、将得到的复合氧化物分散到100ml 5mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,称取纳米氧化铜粉末0.008克,在温度300℃用氢气还原1小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在高纯氮气保护条件下,用超声波分散到pH值为4的3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.2克),同时,逐滴滴加3ml含0.816钛酸丁酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化4小时后,在高纯氮气中温度150℃干燥2小时,然后真空条件下,温度500℃焙烧1小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例4:
a、称取2.14克Cu(NO3)2·3H2O、18.75克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取10.36克碳酸钠溶于成100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度 80℃水浴,生成蓝色沉淀,再将沉淀先用蒸馏水5次,再用无水乙醇洗涤1次,在烘箱中温度120℃烘干,马弗炉中温度450℃焙烧2小时,得到氧化铜和氧化铝的复合氧化物;
b、将得到的复合氧化物分散到100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥,得纳米氧化铜粉末,称取纳米氧化铜粉末0.016克,在温度250℃用氢气还原3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在高纯氩气保护条件下,用超声波分散到pH值为2的3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.2克),同时,逐滴滴加3ml含0.68g钛酸丁酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化4小时后,在高纯氩气中温度140℃干燥2小时,然后真空条件下,温度450℃焙烧2小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例5:
a、称取2.14克Cu(NO3)2·3H2O、11.25克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取6.7克碳酸钠溶于成100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,生成蓝色沉淀,再将沉淀先用蒸馏水5次,再用无水乙醇洗涤1次后,在烘箱中温度120℃烘干,马弗炉中温度450℃焙烧2小时,得到氧化铜和氧化铝的复合氧化物;
b、将得到的复合氧化物分散到100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,称取纳米氧化铜粉末0.004克,在温度250℃用氢气还原3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在氢气氛保护条件下,用超声波分散到pH值为2的3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.22克),同时,逐滴滴加3ml含0.70钛酸异丙酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化4小时后,在氢气氛中温度150℃干燥2小时,然后真空条件下,温度400℃焙烧2小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例6:
a、称取2.14克Cu(NO3)2·3H2O、11.25克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取6.4克碳酸钠溶于成100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,生成蓝色沉淀,再将沉淀先用蒸馏水5次,再用无水乙醇洗涤1次后,在烘箱中温度120℃烘干,马弗炉中温度450℃焙烧2小时,得到氧化铜和氧化铝的复合氧化物;
b、将得到的复合氧化物分散到搅拌100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,称取纳米氧化铜粉末0.004克,在温度250℃用氢气还原3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在氢气氛保护条件下,用超声波将其分散到3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.15克),同时,逐滴滴加3ml含0.55钛酸乙酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化4小时后,在氢气氛中温度150℃干燥2小时, 然后真空条件下,温度500℃焙烧2小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例7:
a、称取2.14克Cu(NO3)2·3H2O、18.75克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取9.91克溶于成100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,生成蓝色沉淀,再将沉淀先用蒸馏水5次,再用无水乙醇洗涤1次后,在烘箱中温度120℃烘干,马弗炉中温度450℃焙烧2小时,得到氧化铜和氧化铝的复合氧化物;
b、将得到的复合氧化物分散到100ml 5mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,称取纳米氧化铜粉末0.004克,在温度250℃用氢气还原3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在氢气氛保护条件下,用超声波将其分散到pH值为2的3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.2克),同时,逐滴滴加3ml含0.83钛酸乙酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化4小时后,在氢气氛中温度140℃干燥2小时,然后真空条件下,温度450℃焙烧2小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例8:
a、称取2.14克Cu(NO3)2·3H2O、11.25克Al(NO3)3·9H2O溶于水制成100ml溶液,另取6.12克碳酸钠溶于成100ml溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,生成蓝色沉淀,再将沉淀先用蒸馏水5次,再用无水乙醇洗涤1次后,在烘箱中温度120℃烘干,马弗炉中温度400℃焙烧1小时,得到氧化铜和氧化铝的复合氧化物;
b、将得到的复合氧化物分散到搅拌100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,称取纳米氧化铜粉末0.004克,在温度300℃用氢气还原1小时,得纳米金属铜粒子;
c、将得到的纳米金属铜粒子在氢气氛保护条件下,用超声波将其分散到pH值为4的3ml的水/盐酸的乙醇溶液中(其中,水的物质的量为0.2克),同时,逐滴滴加3ml含0.83钛酸异丙酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶老化5小时后,在氢气氛中温度130℃干燥2小时,然后真空条件下,温度500℃焙烧2小时,即得黑色二氧化钛包覆金属铜的纳米光催化剂。
实施例9:
将实施例1-8制备的任意一种光催化剂用于光催化还原CO2,具体操作:称取10mg光催化剂粉末与20g水混合,经超声得均匀悬浊液,并将其倒入特制的半径为50cm砂芯漏斗中,过滤后,催化剂粉末均匀地平铺于砂芯上,将载有光催化的砂芯漏斗置于带有真空机械泵的光催化反应装置中,并向光催化反应装置中冲入含水蒸气的CO28kPa,用氙灯垂直照射砂芯漏斗中的光催化剂,进行CO2光催化还原制备CO和甲烷的反应,利用配有TCD检测器的气相色谱在线检测CO和甲烷的产率。
Claims (7)
1.一种黑色TiO2包覆金属铜纳米光催化剂的制备方法,其特征在于该方法无需表面活性剂辅助即可制得二氧化钛包覆纳米金属铜的纳米光催化剂,具体操作按下列步骤进行:
a、将可溶性铜盐为硝酸铜水溶液和铝盐为硝酸铝水溶液的混合溶液与沉淀剂为碳酸钠溶液,在搅拌下将两种溶液滴加到200ml蒸馏水中,温度80℃水浴,反应获得蓝色沉淀,将沉淀先用蒸馏水洗涤5次,再用无水乙醇洗涤1次,在烘箱中温度120℃烘干后,在温度400-500℃焙烧1-3小时,得氧化铜与氧化铝的复合物;
b、将步骤a得到的复合物分散到100ml 2mol/L的氢氧化钠溶液中,反应12小时,除复合物中的三氧化二铝,所得悬浊液经过滤、蒸馏水洗涤、温度80℃干燥得纳米氧化铜粉末,再将纳米氧化铜粉末, 在温度240-300℃下用氢气还原1-3小时,得纳米金属铜粒子;
c、将步骤b中得到的金属铜纳米粒子,在惰性气氛为高纯氦气或高纯氩气保护下,或高纯氮气或氢气氛保护下,用超声波分散到pH值为2-4的水/盐酸的乙醇溶液中,同时,逐滴滴加含钛源为钛酸丁酯的乙醇溶液、钛酸异丙酯的乙醇溶液或钛酸乙酯的乙醇溶液,反应得到凝胶,再将凝胶经老化3-4小时后,在高纯氦气、高纯氩气或高纯氮气,或氢气氛中温度130-150℃干燥2-3小时,然后真空条件下,温度400-500℃焙烧1-3小时,即得黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂。
2.根据权利要求1所述的黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂的制备方法,其特征在于步骤a中硝酸铜和硝酸铝的水溶液中Cu2+与Al3+的质量比为1:1-1:6。
3.根据权利要求1所述的黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂的制备方法,其特征在于步骤a中沉淀剂碳酸钠溶液中Na+的浓度为0.1-2mol/L。
4.根据权利要求1所述的黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂的制备方法,其特征在于步骤a中碳酸钠与硝酸铜和硝酸铝的总化学计量过量5%-15%。
5.根据权利要求1所述的黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂的制备方法,其特征是步骤c中金属铜与钛源的质量比为1:30-1:400。
6.根据权利要求1所述的黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂的制备方法,其特征是步骤c中水和钛源的质量比为1:2 -1:5。
7.一种如权利要求1所述制备方法获得的黑色TiO2包覆金属铜的纳米光催化剂在二氧化碳光还原中的用途。
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