CN105879885A - 可见光光解水制氢催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光光解水制氢催化剂及其制备方法，以CdSe或含CdSe的复合催化剂为起始反应物，利用离子交换法掺杂Sb3+离子。主要步骤为CdSe或含CdSe的复合材料放置含锑离子的盐溶液中在50‑200℃之间进行水热处理1‑8h,完成Cd2+和Sb3+离子的交换过程，其中，硒化镉纳米颗粒和锑离子的最佳摩尔比为3:1‑10:1。特别是本发明利用一种简单的离子交换法成功将不同价态的Cd2+离子和Sb3+离子进行交换，交换后的CdSe‑GO比未交换之前的CdSe‑GO在近红外光下的光解水产氢量提高了90%。本发明可见光光解水制氢催化剂使产氢量也得到了显著提高，其掺杂方法简单，易于大规模生产。

Description

可见光光解水制氢催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光解水产氢材料及其制备方法，特别是涉及一种CdSe基催化剂及其改性方法，应用于纳米材料及能源材料领域中半导体材料的制备技术领域。
背景技术
近年来，伴随社会经济的快速发展，石油等化石能源的过度消耗导致污染物大量排放，环境无染极其严重，尤其是我国近年来 雾霾天气的频繁出现,严重影响了人民的生活和身体健康,开发和利用新能源是解决这一难题的有效方法。从长远看,太阳能的有效开发与利用对优化中国能源结构具有重大意义。每年可供开发利用的太阳能约1.6×1015 W, 大约是2015年中国能源消耗的500倍。1972年，Fujishima和Honda在Nature杂志上发表了在近紫外光照射下，TiO2电极分解水产生氢气的论文。其文中提出的利用太阳光催化分解H2O制H2被认为是最佳制氢途径之一。 而氢能能量密度高、清洁环保、使用方便, 被认为是一种理想的能源载体。所以要发明一种催化剂可以大规模高效的光解水制氢。那么如何提高太阳光能量的利用率，拓展半导体的光吸收波长等。成为突破这一难关的核心问题。水的分解是需要半导体材料同时满足导带底比H+/H2氧化还原电势（0v，以氢电极为参比电极）更负，价带顶比O2/H2O氧化还原电势（1.23eV)更正。各国研究人员发现并通过贵金属沉积、过渡阳离子掺杂、染料敏化、复合半导体等方法延长响应入射光的波长范围，阻止光生电子对的复合来提高对阳光的利用率。其中离子掺杂为最简单最有效的提高太阳光利用率的方法，制备的二元材料如果仅仅为响应可见光的材料，如果添加必要的阳离子，掺杂催化剂可将响应光谱范围拓展到红外光区域，组成新的复合半导体极大的提高了太阳光的利用率。而且掺杂金属离子更可以提高光激发电子的导电率，抑制光生电子和空穴的再复合。材料的产氢量就能得到提高。所以对催化剂的金属离子掺杂是光催化分解水领域的一个重要研究方向。
CdSe是一种光解水产氢材料，与CdS一样，都能产氢产氧，但CdSe的带隙是1.76 eV, CdS是2.4 eV,从单个催化剂来看，同摩尔的CdS产氢量比CdSe高，但是CdSe具有高稳定性以及带隙小，价格低廉等优点，所以值得对CdSe催化剂改性，因为CdSe的光响应范围是紫外和可见光区域，所以对CdSe的光解水产氢的研究还停留在600nm处，但600--800nm近红外区域的光未能利用。
Sb2Se3的带隙为1.1eV , ECB(vs. NHE) 2 eV，EVB (VS .NHE)3.02 eV,是一种非常有潜力的太阳能电池吸光层新材料，由于该材料具有禁带宽度小，吸收系数大，在可见光与红外区域都有较高的吸收值。但是在光催化体系中，Sb2Se3的导带和价带都不满足产氢产氧的析氢析氧电位，所以不能直接作为光解水催化剂，但该材料的光学性能可以充分利用，因为分解水的能量来源于太阳光，所以材料能吸收多少的太阳光对光催化效率有极大的影响，这些优异的性质让Sb2Se3应用在光催化领域开辟了新的研究方向，如何将其有效应用于光解水产氢材料的制备成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种可见光光解水制氢催化剂及其制备方法，采用掺杂的方法制备可见光催化活性高的CdSe或含CdSe的复合催化剂，本发明可见光光解水制氢催化剂有效拓展了光解水制氢催化剂的光吸收波长，并能有效利用近红外光的能量，使光解水制氢催化剂在可见光与红外区域都有较高的吸收值，同时使产氢量也得到了显著提高，本发明掺杂方法简单，易于大规模生产可见光光解水制氢催化剂。
为达到上述发明创造目的，采用如下发明构思：
离子掺杂是近年来光解水制氢催化剂重要的活性提高方法。离子掺杂促进了光生电子-空穴对的分离，掺杂后半导体的平带电位会发生负移，导带上被激发的电子具有更强的还原能力有利于光催化制氢的提高，掺杂也可取代被掺杂催化剂中晶格的元素，使能级结构改变，从而具有新区域的光吸收能力，掺杂也能提高光生电子与空穴的寿命，从而提高了材料的稳定性。本发明用Sb3+掺杂CdSe，替代CdSe晶格中的Cd2+离子，促进电子与空穴的转移与分离并获得少量的Sb2Se3，提高新区域的光吸收能力。提高材料的产氢性能。
本发明利用离子交换法合成光解水制氢催化剂，向CdSe中掺杂Sb3+离子，3价的Sb3+离子把2价的Cd2+离子置换出来，在近红外光的照射下，掺杂Sb3+离子的二元复合材料电子与空穴分离效率更高，从而在近红外光下能更有效的产氢。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种可见光光解水制氢催化剂，以CdSe或含CdSe的复合材料为基体材料，按照基体材料中Se与Sb的掺杂量的摩尔比为2:1～10:1的比例，向基体材料中掺杂Sb，用Sb来部分替代硒化镉晶格中的Cd，即为掺杂Sb的可见光光解水制氢催化剂。
作为本发明优选的技术方案，在可见光光解水制氢催化剂中，基体材料中Se与Sb的掺杂量的摩尔比优选为2:1～8:1。
作为上述方案的进一步优选的技术方案，以CdSe的复合材料为基体材料时，优选采用CdSe-GO的复合催化剂作为基体材料。
一种可见光光解水制氢催化剂的制备方法，以CdSe或含CdSe的复合材料为原始反应物，通过离子交换掺杂方法对原始反应物进行改性，将含锑离子的盐溶液与原始反应物混合并进行离子交换水热反应，反应温度控制在50～200℃之间，反应时间为1～8h，使CdSe和锑离子的摩尔比范围控制为2:1～10:1，通过离子交换水热反应，用Sb3+来部分替代Cd2+离子，制备得到Sb3+和Cd2+的混合阳离子溶液，然后将混合阳离子溶液通过加热和蒸干后，使混合阳离子溶液中的溶质结晶，从而得到掺杂Sb的可见光光解水制氢催化剂。
上述含锑离子的盐溶液优选采用醋酸锑溶液、硝酸锑溶液和钨酸锑溶液中任意一种溶液或任意几种溶液的混合溶液。
上述离子交换水热反应温度优选控制在80～150℃之间。
上述离子交换水热反应时间优选为4～8h。
进行离子交换水热反应时，使CdSe和锑离子的摩尔比范围优选控制为2:1～8:1。
上述原始反应物优选采用CdSe-GO的复合催化剂材料。利用离子交换法合成CdSe-GO催化剂，在比表面积大、电子传输能力强的石墨烯上负载掺杂Sb3+离子的CdSe。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明方法以CdSe或含CdSe的复合材料为原始反应物，利用离子交换法掺杂原材料的Cd2+离子，成功地将二价的Cd2+离子和三价的Sb3+离子进行不同价态的离子交换，其中交换后的含CdSe的复合材料比未交换之前的在可见光下的光解水产氢量提高了90%；
2.本发明采用的掺杂方法简单，加温时间短，工艺方法易控制，易于大规模生产可见光光解水制氢催化剂。
附图说明
图1为本发明实施例一制备的经掺杂的石墨烯/硒化镉的电子透射显微镜（TEM）图。
图2为本发明实施例一制备的在150℃条件下掺杂Sb的CdSe-GO与对比例未掺杂Sb的CdSe-GO的光解水制氢量对比图。
图3为本发明实施例二制备的在80℃条件下掺杂Sb的CdSe-GO与对比例未掺杂Sb的CdSe-GO的光解水制氢量对比图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图2，一种可见光光解水制氢催化剂的制备方法，包括如下步骤：
a.采用CdSe-GO催化剂材料作为原始反应物，将0.02 g 的CdSe-GO催化剂材料放入10ml的水中超声10min，使CdSe-GO均匀，制备CdSe-GO催化剂分散液，采用上述相同的方法，制备相同体积和相同浓度的CdSe-GO催化剂分散液一共4份；
b.另取4个烧杯，分别加入0.0128g、0.0064g、0.0032g和0.0025g 的Sb(AC)2 ，然后将各烧杯中的Sb(AC)2分别溶于30ml水中，制成相同体积和相同浓度的Sb(AC)2溶液一共4份；
c.将在所述步骤a和所述步骤b中制备的CdSe-GO催化剂分散液和Sb(AC)2溶液一一对应进行混合分别置于4个烧杯中，分别放在油浴锅内，通过离子交换掺杂方法对CdSe-GO催化剂进行改性，将Sb(AC)2溶液与CdSe-GO催化剂分散液混合并进行离子交换水热反应，反应温度皆控制在150℃之间，反应时间皆分别为4 h和8h，通过离子交换水热反应，用Sb3+来部分替代Cd2+离子，制备得到Sb3+和Cd2+的混合阳离子溶液，然后将混合阳离子溶液通过加热和蒸干后，使混合阳离子溶液中的溶质结晶析出，通过分离，从而得到掺杂Sb的可见光光解水制氢催化剂。经掺杂的石墨烯/硒化镉的电子透射显微镜照片如图1所示，可见在在比表面积大、电子传输能力强的石墨烯上负载掺杂Sb3+离子的CdSe。
实施例二：
本实施例与实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图3，一种可见光光解水制氢催化剂的制备方法，包括如下步骤：
a.采用CdSe-GO催化剂材料作为原始反应物，将0.02 g 的CdSe-GO催化剂材料放入10ml的水中超声10min，使CdSe-GO均匀，制备CdSe-GO催化剂分散液，采用上述相同的方法，制备相同体积和相同浓度的CdSe-GO催化剂分散液一共4份；
b.另取4个烧杯，分别加入0.0128g、0.0064g、0.0032g和0.0025g 的Sb(AC)2 ，然后将各烧杯中的Sb(AC)2分别溶于30ml水中，制成相同体积和相同浓度的Sb(AC)2溶液一共4份；
c.将在所述步骤a和所述步骤b中制备的CdSe-GO催化剂分散液和Sb(AC)2溶液一一对应进行混合分别置于4个烧杯中，分别放在油浴锅内，通过离子交换掺杂方法对CdSe-GO催化剂进行改性，将Sb(AC)2溶液与CdSe-GO催化剂分散液混合并进行离子交换水热反应，反应温度皆控制在80℃之间，反应时间皆分别为4 h和8h，通过离子交换水热反应，用Sb3+来部分替代Cd2+离子，制备得到Sb3+和Cd2+的混合阳离子溶液，然后将混合阳离子溶液通过加热和蒸干后，使混合阳离子溶液中的溶质结晶析出，从而得到掺杂Sb的可见光光解水制氢催化剂。
对比例：
一种可见光光解水制氢催化剂的制备方法，包括如下步骤：采用CdSe-GO催化剂材料作为分散介质，将0.02 g 的CdSe-GO催化剂材料放入10ml的水中超声10min，使CdSe-GO均匀，制备CdSe-GO催化剂分散液，然后对CdSe-GO催化剂分散液进行水浴加热8h，通过加热和蒸干后，使CdSe-GO催化剂分散液中的分散介质结晶析出，通过分离，从而得到热处理后的光解水制氢催化剂样品。
实验测试分析：
分别对上述实施例在不同温度条件下掺杂Sb的CdSe-GO与对比例未掺杂Sb的CdSe-GO的光解水制氢量进行测试，结果如图2和图3所示。本发明上述实施例方法以需改性CdSe-GO催化剂为原始反应物，利用离子交换法掺杂原材料的Cd2+离子。将材料放置含锑离子的盐溶液中进行水热处理，完成Cd2+和Sb3+离子的交换过程，得活性增强的可见光光解水制氢催化剂。本发明上述实施例利用简单的离子交换法，成功地将二价的Cd2+离子和三价的Sb3+离子进行交换，交换后的CdSe-GO比未交换之前的在可见光下的光解水产氢量提高了90%。掺杂方法简单，加温时间短，易控制，易于大规模生产。在光催化产氢领域，如何提高太阳光能量的利用率是人们最关注的问题之一，通过金属离子掺杂可以有效的拓展半导体的光吸收波长。本发明上述实施例利用离子交换法成功将不同价态的Cd2+离子和Sb3+离子进行交换，交换后的CdSe-GO比未交换之前的CdSe-GO在近红外光下的光解水产氢量显著提高。在近红外光的照射下，本发明上述实施例制备的掺杂Sb3+离子的二元复合材料电子与空穴分离效率更高，从而在近红外光下能更有效的产氢。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明可见光光解水制氢催化剂及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可见光光解水制氢催化剂，其特征在于：以CdSe或含CdSe的复合材料为基体材料，按照基体材料中Se与Sb的掺杂量的摩尔比为2:1～10:1的比例，向基体材料中掺杂Sb，用Sb来部分替代硒化镉晶格中的Cd，即为掺杂Sb的可见光光解水制氢催化剂。
2.根据权利要求1所述可见光光解水制氢催化剂，其特征在于：在可见光光解水制氢催化剂中，基体材料中Se与Sb的掺杂量的摩尔比为2:1～8:1。
3.根据权利要求1或2所述可见光光解水制氢催化剂，其特征在于：以CdSe的复合材料为基体材料时，采用CdSe-GO的复合催化剂作为基体材料。
4.一种可见光光解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于：以CdSe或含CdSe的复合材料为原始反应物，通过离子交换掺杂方法对原始反应物进行改性，将含锑离子的盐溶液与原始反应物混合并进行离子交换水热反应，反应温度控制在50～200℃之间，反应时间为1～8h，使CdSe和锑离子的摩尔比范围控制为2:1～10:1，通过离子交换水热反应，用Sb3+来部分替代Cd2+离子，制备得到Sb3+和Cd2+的混合阳离子溶液，然后将混合阳离子溶液通过加热和蒸干后，使混合阳离子溶液中的溶质结晶，从而得到掺杂Sb的可见光光解水制氢催化剂。
5.根据权利要求4所述可见光光解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述含锑离子的盐溶液采用醋酸锑溶液、硝酸锑溶液和钨酸锑溶液中任意一种溶液或任意几种溶液的混合溶液。
6.根据权利要求4或5所述可见光光解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于：离子交换水热反应温度控制在80～150℃之间。
7.根据权利要求4或5所述可见光光解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于：离子交换水热反应时间为4～8h。
8.根据权利要求4或5所述可见光光解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于：进行离子交换水热反应时，使CdSe和锑离子的摩尔比范围控制为2:1～8:1。
9.根据权利要求4或5所述可见光光解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于：原始反应物采用CdSe-GO的复合催化剂材料。
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