CN105854921B - 一种大面积二维复合纳米材料的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面积二维复合纳米材料的合成方法，首先，将胺类前驱体加热分解，合成C3N4纳米片；而后将合成的C3N4纳米片、胺类溶剂、镉盐、硫盐与水混合，搅拌、超声使其充分分散，通过加热反应，离心后制得。本发明采用CdS纳米片与C3N4纳米片复合，这种特殊的二维复合材料具有大面积接触界面，有利于载流子分离，且C3N4纳米片与CdS纳米片带隙匹配，提高了复合材料的光催化活性，具有优异的光催化降解有机物和光催化制氢的性能，重复性能好，循环使用寿命长；合成方法原料成本低廉，操作简便，产率很高，具有广泛的工业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种大面积二维复合纳米材料的合成方法，属于能源环境及纳米材料技术领域。
背景技术
能源和环境问题成为制约人类可持续发展的主题。利用太阳能从水中制氢是最吸引人的一条解决当今能源紧缺与环境污染路线。我们的地球3/4的区域被水覆盖,其中蕴藏着丰富的氢源。氢能以其清洁、无污染、热值高且贮存和运输方便而被视为最理想的石油、煤等不可再生能源的替代能源,同时氢气又是现代化学工业最基础的原料。其中光催化分解水制氢技术是太阳能光化学转换和储存的最佳途径。光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术。具有以下优点：反应条件温和、无二次污染、可无限满足人们的需求、光催化剂化学性质稳定、成本低、氧化还原性强、不存在吸附饱和现象、循环使用寿命长。近年来,光电催化分解水、多相光催化分解水,新型光催化剂和光催化效率的研究都取得了显著的进步。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。
然而传统的光催化材料，太阳能利用率低下。如申请号为2015102358913的专利公开了一种全色光响应的二氧化钛基光催化材料及其制备方法和产氢应用，但是其光催化效率较低，制备方法及其复杂，且光催化材料稳定性不足。因此研究和开发可见光响应的光催化材料是目前函待解决的关键问题。申请号为2015100147000的专利公开了一种树枝形聚合物，其聚合物能够将光敏剂和氢化酶模拟物分别共价链接在树枝形聚合物的外围和核心，稳定核心氢化酶，提高催化产氢效率。但是该催化剂制备工艺极其复杂，提高量子产氢率有限，无法达到工业化使用的目的。
氮化碳被认为是优良的二维可见光光催化剂，其结构稳定，能在任意pH值中使用，其合适的价带导带位置使得氮化碳在光催化领域有着潜在的应用前景。但是其载流子容易复合，大大影响了其在光催化领域中的使用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用简单快捷的合成方法在氮化碳基底上合成大面积二维复合纳米材料，该材料具有优异的光催化降解有机物和光催化制氢的性能，带隙匹配、重复性能好，循环使用寿命长。
为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一种大面积二维复合纳米材料的合成方法，首先，将胺类前驱体加热分解，合成C3N4纳米片；而后将合成的C3N4纳米片、胺类溶剂、镉盐、硫盐与水混合，搅拌、超声使其充分分散，通过加热反应，离心后制得。
进一步的，所述胺类前驱体与胺类溶剂的质量体积比为1～60：2～100；所述水与胺类溶剂的体积比为1:0.8～3；所述镉盐添加量为0.01～2.5mol/L，硫盐添加量为0.01～2.5mol/L。
进一步的，所述胺类前驱体为三聚氰胺、单氰胺、双氰胺、硫脲和尿素中的一种或多种组合。
更进一步的，所述胺类前驱体加热分解的温度为400～700℃，加热时间为1～12h。
进一步的，所述胺类溶剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种或多种组合。
进一步的，所述镉盐为硝酸镉、氯化镉、碘化镉、醋酸镉中的一种或多种组合。
进一步的，所述硫盐为硫粉、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、硫脲、硫代乙酰胺、双硫腙中的一种或多种组合。
进一步的，所述加热反应的温度为120～220℃，加热时间为6～48h。
进一步的，所述离心的转速100～14000转/分钟，直至产物pH为中性。
本发明的有益效果是：采用CdS纳米片与C3N4纳米片复合，这种特殊的二维复合材料具有大面积接触界面，有利于载流子分离，且C3N4纳米片与CdS纳米片带隙匹配，提高了复合材料的光催化活性，具有优异的光催化降解有机物和光催化制氢的性能，重复性能好，循环使用寿命长；合成方法原料成本低廉，操作简便，产率很高，具有广泛的工业化前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。
图1 为本发明实施例2中C3N4/CdS的TEM谱图照片。
具体实施方式
实施例1
一种大面积二维复合纳米材料的合成方法，首先，将胺类前驱体加热分解，加热分解的温度为400～700℃，加热时间为1～12h，合成C3N4纳米片；而后将合成的C3N4纳米片、胺类溶剂、镉盐、硫盐与水混合，搅拌、超声使其充分分散，通过加热反应，离心后制得；所述加热反应的温度为120～220℃，加热时间为6～48h；所述离心的转速100～14000转/分钟，直至产物pH为中性。
所述胺类前驱体与胺类溶剂的质量体积比为1～60：2～100；所述水与胺类溶剂的体积比为1:0.8～3；所述镉盐添加量为0.01～2.5mol/L，硫盐添加量为0.01～2.5mol/L。
所述胺类前驱体为三聚氰胺、单氰胺、双氰胺、硫脲和尿素中的一种或多种组合。
所述胺类溶剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种或多种组合。
所述镉盐为硝酸镉、氯化镉、碘化镉、醋酸镉中的一种或多种组合。
所述硫盐为硫粉、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、硫脲、硫代乙酰胺、双硫腙中的一种或多种组合。
实施例2
将30g三聚氰胺于600℃下加热分解4小时，合成C3N4纳米片；然后将C3N4纳米片、20mL二乙烯三胺、0.05mol/L硝酸镉、0.05mol/L硫粉与20mL水混合，搅拌30分钟、超声30分钟使其充分分散，在150℃下加热反应10小时，离心得到大面积二维复合纳米材料。
其TEM图谱如图1所示，其产氢以体系总体积为10ml计每次产氢量可达到123μmol。
实施例3
将50g尿素于550℃下加热分解6小时，合成C3N4纳米片；然后将C3N4纳米片、30mL三乙烯四胺、0.1mol/L硝酸镉、0.15mol/L双硫腙与10mL水混合，搅拌30分钟、超声50分钟使其充分分散，在160℃下加热反应12小时，离心得到大面积二维复合纳米材料。
其产氢以体系总体积为10ml计每次产氢量可达到148μmol。
实施例4
将100g单氰胺、双氰胺、硫脲于400℃下加热分解12小时，合成C3N4纳米片；然后将C3N4纳米片、50mL四乙烯五胺、1mol/L氯化镉、1.5mol/L亚硫酸钠与30mL水混合，搅拌30分钟、超声50分钟使其充分分散，在200℃下加热反应12小时，离心得到大面积二维复合纳米材料。
其产氢以体系总体积为10ml计每次产氢量可达到118μmol。
实施例5
将300g双氰胺、尿素于700℃下加热分解2小时，合成C3N4纳米片；然后将C3N4纳米片、100mL二乙烯三胺、三乙烯四胺、1.5mol/L碘化镉、醋酸镉、1.5mol/L双硫腙与100mL水混合，搅拌30分钟、超声50分钟使其充分分散，在180℃下加热反应12小时，离心得到大面积二维复合纳米材料。
其产氢以体系总体积为10ml计每次产氢量可达到134μmol。
氮化碳被认为是优良的二维可见光光催化剂，其结构稳定，能在任意pH值中使用，其合适的价带导带位置使得氮化碳在光催化领域有着潜在的应用前景。但是其载流子容易复合，大大影响了其在光催化领域中的使用。本发明采用CdS纳米片与C3N4纳米片复合，这种特殊的二维复合材料具有大面积接触界面，有利于载流子分离，且C3N4纳米片与CdS纳米片带隙匹配，提高了复合材料的光催化活性，具有优异的光催化降解有机物和光催化制氢的性能，重复性能好，循环使用寿命长；合成方法原料成本低廉，操作简便，产率很高，具有广泛的工业化前景。
本发明所公开的实施例只是对本发明的技术方案的解释，不能作为对本发明内容的限制，本领域技术人员在本发明基础上的简单变更，依然在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种大面积二维复合纳米材料在光催化制氢中的应用，其特征在于，所述大面积二维复合纳米材料的合成方法为：首先，将胺类前驱体加热分解，合成C3N4纳米片；而后将合成的C3N4纳米片、胺类溶剂、镉盐、硫盐与水混合，搅拌、超声使其充分分散，通过加热反应，离心后制得，用于光催化制氢；所述胺类前驱体与胺类溶剂的质量比为1～60：2～100；所述水与胺类溶剂的体积比为1:0.8～3；所述镉盐添加量为0.01～2.5mol/L，硫盐添加量为0.01～2.5mol/L；所述胺类溶剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种或多种组合；所述镉盐为硝酸镉、氯化镉、碘化镉、醋酸镉中的一种或多种组合；所述硫盐为硫粉、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、硫脲、硫代乙酰胺、双硫腙中的一种或多种组合；所述加热反应的温度为120～220℃，加热时间为6～48h；所述胺类前驱体为三聚氰胺、单氰胺、双氰胺、硫脲和尿素中的一种或多种组合；所述胺类前驱体加热分解的温度为400～700℃，加热时间为1～12h；所述离心的转速100～14000转/分钟，直至产物pH为中性。
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