CN107126971A - 一种复合CoP/g‑C3N4光催化剂的制备和应用 - Google Patents
一种复合CoP/g‑C3N4光催化剂的制备和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种在g‑C3N4表面上原位生长CoP纳米颗粒的方法和应用。本发明的主要特征是,通过原位负载的方法首先在氮化碳上原位生长Co(OH)2然后在惰性气氛的保护下分解次磷酸钠释放PH3气体来磷化生成CoP。通过这种方法能够使得CoP纳米颗粒均匀地负载在氮化碳上,最后得到CoP/g‑C3N4复合光催化剂。本发明原料易得且操作简单,并且开创性地将此复合光催化剂应用在光催化产双氧水上,CoP作为助催化剂首先能够增强对可见光的吸收,又由于其具有类金属性质能够快速分离电子和空穴,使得所吸收的光能够更高效地利用,最后有效地提高了氮化碳主体催化剂光催化产双氧水的催化活性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料和光催化领域。
背景技术
双氧水作为一种环境友好型的氧化剂,其被广泛的应用在废水处理,纸浆漂白,以及杀菌消毒的过程中。而且近年来由于其在选择性氧化中的广泛应用,使得对其的需求量越来越大。但是传统的生产方法能耗较大,对环境的污染严重,从而大大增加了能源和环境的压力。因此,迫切需要发展一种新的方法以及利用清洁能源来生产双氧水。其中使用光催化剂,在太阳能的驱动下,在氧气氛围下光催化产双氧水具有很大的研究价值及应用前景。
近年来有学者报道了基于氧化钛这种半导体来产双氧水的方法,但是由于其禁带宽度较宽 (3.2 eV),光生电子-空穴对的快速复合,使得想利用其去高效地产双氧水,还需要其他的一些比较繁琐的手段对其加以改性。而当氮化碳这种半导体被发现之后,其比二氧化钛更有优势,因为其禁带宽度比较窄 (2.7 eV) 能够更有效地利用可见光。但是其自身的光生电子-空穴对的复合也导致了较低的太阳光的利用效率,从而限制了光催化产双氧水的活性。前者研究表明,在半导体上负载贵金属作为助催化剂是一种比较好的快速分离电子-空穴的方法,比如在氧化钛上负载金,银,或者是金银合金都能够有效地分离电子和空穴,提高光催化活性。但是由于贵金属稀少且价格昂贵,其广泛应用受到限制。于是寻求地球上较丰富的,且廉价易得的金属作为助催化剂吸引了众多的研究兴趣。基于此,许多研究者开始利用过渡金属化合物作为助催化剂,其中过渡金属磷化物因为其具有一定的金属性质,能够快速的传递电子而广受瞩目。过渡金属磷化物中CoP由于其稳定性较好,而被广泛地应用。
在此发明中我们选用氮化碳作为主催化剂,CoP这种具有类金属性质的过渡金属磷化物作为助催化剂,根据此前的报道,氮化碳的导带位置为 -1.3 eV,而经过我们的测试,在此发明中制备出的CoP的导带位置是 -0.55 eV。因此,两者能带匹配g-C3N4上的光生电子能够迅速地传输到CoP导带上,从而能够实现快速的电子-空穴分离,提高太阳光的利用率,提升光催化活性。基于以上理论指导,我们选用原位生长的方法将CoP均匀地分散在g-C3N4上。这样,一方面能够增加对可见光的吸收,另一方面能够快速分离电子-空穴,进一步提高对可见光的利用效率。另外,我们使用原位生长的方式在g-C3N4表面生长得到的CoP纳米颗粒具有很高的分散性而且其平均粒径只有17 nm。通过测试其光催化产双氧水的效率,证明在负载了CoP后氮化碳的光催化活性提高了很多,通过对比不同CoP负载量下双氧水的产率,也得到了其最佳负载量。
发明内容
本发明采用原位生长的方法,使得在g-C3N4表面生长的CoP分散均匀,从而使得光催化剂的光催化性能更好。在该方法中,先将氮化碳分散在一定量的水中,然后加入六水硝酸钴和六亚甲基四胺的混合溶液,超声搅拌,使得钴离子能够被吸附在氮化碳表面,然后通过在90℃的油浴条件下六亚甲基四胺缓慢释放氨气提供羟基,先在氮化碳上生成Co(OH)2纳米粒子,最后在氮气氛围下使用次磷酸钠作为磷化剂,将Co(OH)2磷化为CoP。此原位生长的方法能够使CoP纳米颗粒均匀地分散在氮化碳表面,形成CoP/g-C3N4复合物。
本发明所提供的g-C3N4表面生长CoP纳米颗粒的方法,包括以下步骤:
(1)将三聚氰胺以及氯化铵以1:1的比例混合均匀后,以一定的升温速率上升到一定的温度下保温4小时得到g-C3N4;(2)将一定量制备得到的氮化碳通过超声均匀地分散在一定量的水中,称为溶液A。然后溶解一定量的六水硝酸钴和六亚甲基四胺在一定量的水中,记为溶液B,然后将溶液B 缓慢地滴加到溶液A中,在一定的温度下反应数小时。之后离心洗涤,先水洗后醇洗,然后在60℃的真空干燥箱内干燥,最后得到Co(OH)2/g-C3N4复合物。(3)将上述得到的固体取出一部分,然后将此部分放在瓷方舟的一端,在另一端放置次磷酸,在惰性氛围下煅烧2小时,最后得到CoP/g-C3N4复合物。
上述的制备方法中,步骤(1)中使用的前驱体为三聚氰胺,氯化铵作为鼓泡剂,其质量比为1:1。
上述的制备方法中,步骤(1)中的升温速率为两段式,先5℃/min升到300℃之后再2℃/min升到520℃保温时间为4小时。
上述的制备方法中,步骤(2)中溶液的溶剂为水,体积为10 ml,六水硝酸钴的用量为30-70 mg,随后加入等量的六亚甲基四胺,充分溶解后称为溶液B。
上述的制备方法中,步骤(2)中向溶液A中加入溶液B时必须得缓慢滴加(一秒一滴),之后先搅拌10分钟,再超声10分钟,保证钴离子能够被吸附在氮化碳表面。
上述的制备方法中,步骤(2)中当钴离子吸附在氮化碳表面之后,随后将混合溶液置于90℃的油浴中反应6小时。
上述的制备方法中,步骤(2)反应六个小时后,溶液自然冷却到室温,然后离心洗涤,先水洗三遍,再醇洗三遍,以保证洗去没有被吸附的钴离子以及其它没有反应的物质或者反应副产物。
上述制备方法中,步骤(3)中,Co(OH)2/g-C3N4复合物和次磷酸钠分别放在瓷方舟的两端,其中次磷酸钠的量是Co(OH)2/g-C3N4复合物的10倍,而且次磷酸钠要放置在靠近进气口处,以保证其能够产生足量的PH3气体且能用来磷化Co(OH)2/g-C3N4复合物。然后在惰性气氛下(氮气或氩气)加热到300℃,升温速率为1℃/min,之后保温2小时,冷却到室温后得到CoP均匀分散的CoP/g-C3N4复合物。
本发明的优势体现在;
1. 在此发明方法中,将六水硝酸钴作为钴源,先搅拌后超声使得钴离子能够被吸附在氮化碳表面。
2. 使用六亚甲基四胺作为氢氧根的来源,在90℃油浴中缓慢反应,使得钴离子转化成Co(OH)2。相比较使用强碱作为氢氧根的来源,其形成的Co(OH)2颗粒更小且更加均匀。
3. 选用次磷酸钠来磷化Co(OH)2/g-C3N4复合物,避免了大量有毒有害的PH3气体释放出来。而且将次磷酸钠和Co(OH)2/g-C3N4复合物分别放在瓷方舟的两端,使得Co(OH)2/g-C3N4复合物能够在PH3的氛围中,另一方面也能够避免副产物对催化剂的污染。
4. 本发明所涉及的原料经济易得,所进行的实验步骤简单方便。
5.本发明所述方法制备的CoP/g-C3N4复合物,能够有效地吸收可见光,快速分离光生电子和空穴,提高g-C3N4主催化剂的光催化活性。
6.本发明所述方法制备的CoP/g-C3N4复合物,在光催化产双氧水的过程中表现出很好的光催化活性。这种复合物在可见光的照射下,双氧水的产量要比纯的氮化碳以及磷化钴都高。
本发明提供的光催化产双氧水的实验测试方法如下;
取20mg复合光催化剂,加入带有套管的石英光催化管中(整个反应过程中通冷凝水),再加入18 ml的水,2 ml的乙醇,超声5 min使得固体在溶液中混合均匀,然后通氧气15min,去排除溶液中的其它气体,之后在300 W的氙灯照射下进行光催化产双氧水反应,2 h之后结束反应(整个反应过程中都是氧气保护),然后取出1 ml左右的上清液,用过滤头过滤掉催化剂,取出500 ul的清液于7 ml离心管中,然后加入2 ml 0.1 M KI溶液,之后再加入50 ul 0.01 M钼酸铵溶液,反应10 分钟之后,用紫外分光光度计测出其在352 nm处的吸光度,然后通过做出的标线计算产生的双氧水的量。最后对比不同CoP负载量的CoP/g-C3N4复合物光催化产双氧水产量。
附图说明
图1为实施案例1、2、4所制备得到的样品的透射电镜测试结果,以及案例4所制备样品的HRTEM图,由TEM测试结果可以看到案例1(图a)所制备的氮化碳比较薄而且上面有明显的孔,案例2所制备的纯CoP由于高浓度容易团聚看到其颗粒比较大为137 nm(图b),而在案例4中所制备的CoP/g-C3N4复合物(50Co/CN)(图c),从TEM中可以发现为17 nm的小颗粒均匀地分散在氮化碳表面。而在图d中展示的是案例4中所制备的CoP/g-C3N4 (50Co/CN)复合物的高分辨率电镜图,从图中可以清晰地看到CoP的晶格条纹,而且暴露的晶面为211晶面。
图2为实施案例1所制备的g-C3N4,案例2所制备的CoP以及案例4中所制备的CoP/g-C3N4 (50Co/CN) 复合物的X射线衍射(XRD)图谱。从图中可以看出,只有g-C3N4的特征峰而没有CoP的特征峰,说明CoP作为助催化剂,其负载量很少,而且不影响氮化碳主体催化剂的结构以及特性。
图3为实施案例4所制备的50Co/CN样品的XPS图谱,从C 1s(a)和N 1s(b)图谱中可以看出氮化碳的特征结构,说明复合光催化剂的主体结构是氮化碳。Co 2p(c)图谱中出现在778.2 eV以及781.1 eV的峰归属于Co 2p 3/2 和Co 2P 1/2,而在P 2p(d)图谱中出现在129.3 eV以及133.7 eV的特征峰归属于 P 2p 3/2以及P 2p 1/2,说明此样品中有CoP. 结合以上四个图我们可以得到结论在氮化碳上确实负载了一定量的CoP。
图4为实施案例1所制备的g-C3N4以及案例4中所制备的CoP/g-C3N4 (50Co/CN) 的固体紫外以及荧光图谱。从固体紫外中可以看出,当氮化碳表面负载了一定量的CoP之后大大增强了其对可见光的吸收。而荧光图谱的出峰越来越弱,表明了当负载了一定量的CoP之后,抑制了光生电子和光生空穴的复合,提高了对太阳光的利用效率。
图5为实施案例1-5所制备得到的样品在300 W的氙灯加420滤光片照射下(氧气氛围下),水和乙醇体系中产双氧水的结果图。从结果图中可以看出,纯的氮化碳以及磷化钴都能产少量的双氧水,当在氮化碳上负载一定的磷化钴之后,产双氧水的量就大大地增加了。当六水硝酸钴的量增加到50 mg的时候,其产双氧水的量达到最高,随着六水硝酸钴的量再增加,其产量有所降低,说明当加入六水硝酸钴的量为50 mg时达到最佳负载量,此时催化剂的催化活性最好。
具体实施方案
以下结合实例对本发明进行进一步的详述。
实施例1
g-C3N4的制备
5 g的三聚氰胺和5 g的氯化铵在研钵中研磨混合均匀,然后将混合均匀的粉末放置在一带盖的坩埚中,将其置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升到300℃,之后再以2℃/min的升温速率升到520℃,然后此温度下保温4小时。温度降至室温后取出,得到淡黄色的g-C3N4,研磨成粉末备用。
以下案例为CoP 以及CoP/g-C3N4的制备步骤:
实施例2
称取200 mg的六水硝酸钴以及200 mg的六亚甲基四胺依次加入到50 ml的水中,磁力搅拌10 min,超声10 min,之后将溶液置于90℃的油浴锅中反应6小时,溶液冷却到室温后离心后洗涤,水洗三次,醇洗三次,然后放在60℃真空干燥箱内烘干得到Co(OH)2。之后再将此复合物取出50 mg放置在瓷方舟的一端,然后在另一端放置500 mg的次磷酸钠,将瓷方舟放置在管式炉中,有次磷酸钠的一端放置在靠近进气口处,以1℃/min的升温速率升温到300℃,保温2小时。冷却到室温后收集的黑色固体即是CoP。
实施例3
称取0.2 g的g-C3N4放置在50 ml的水中,超声2小时使其均匀分散,称为溶液A。另取30mg的六水硝酸钴,以及等量的六亚甲基四胺,依次溶解在10 ml的去离子水中,磁力搅拌溶解为均一溶液,称为溶液B。之后将溶液B在磁力搅拌下缓慢地滴加到溶液A中(一秒一滴),再磁力搅拌10 min,超声10 min。将上述溶液放置再90℃的油浴锅中反应6小时,冷却后离心洗涤,水洗三遍,再醇洗三遍,之后将固体在真空干燥箱里干燥得到Co(OH)2/g-C3N4复合物。取出50 mg Co(OH)2/g-C3N4复合物,再称取500 mg的次磷酸钠,将两部分药品分别放置在瓷方舟的两端,将此瓷方舟放置在管式炉中,并将放置次磷酸钠的一端朝向靠近氮气的进气口处。在室温下以1℃/min的升温速率升到300度之后,保温2h,冷却到室温后得到一定量CoP负载的CoP/g-C3N4复合物(记为30Co/CN)。
实施例4
称取0.2 g的g-C3N4放置在50 ml的水中,超声两小时使其均匀分散,称为溶液A。另取50 mg的六水硝酸钴,以及相同量的六亚甲基四胺,依次溶解在10 ml的去离子水中,磁力搅拌溶解为均一溶液,称为溶液B。之后将溶液B在磁力搅拌下缓慢地滴加到溶液A中(一秒一滴),再磁力搅拌10 min,超声10 min。将上述溶液放置在90℃的油浴锅中反应6小时,冷却后离心洗涤,水洗三遍,再醇洗三遍,之后将固体在真空干燥箱里干燥得到Co(OH)2/g-C3N4复合物。取出50 mg Co(OH)2/g-C3N4复合物,再称取500 mg的次磷酸钠,将两部分药品分别放置在瓷方舟的两端,将此瓷方舟放置在管式炉中,并将放置次磷酸钠的一端朝向靠近氮气的进气口处。在室温下以1℃/min的升温速率升到300℃之后,保温两小时,冷却到室温后得到一定量CoP负载的CoP/g-C3N4复合物(记为50Co/CN)。
实施例5
称取0.2g的g-C3N4放置在50ml的水中,超声两小时使其均匀分散,称为溶液A。另取70mg的六水硝酸钴,以及相同量的六亚甲基四胺,依次溶解在10 ml的去离子水中,磁力搅拌溶解为均一溶液,称为溶液B。之后将溶液B在磁力搅拌下缓慢地滴加到溶液A中(一秒一滴),再磁力搅拌10 min,超声10 min。将上述溶液放置在90℃的油浴锅中反应6小时,冷却后离心洗涤,水洗三遍,再醇洗三遍,之后将固体在真空干燥箱里干燥得到Co(OH)2/g-C3N4复合物。取出50 mg Co(OH)2/g-C3N4复合物,再称取500 mg的次磷酸钠,将两部分药品分别放置在瓷方舟的两端,将此瓷方舟放置在管式炉中,并将放置次磷酸钠的一端朝向靠近氮气的进气口处。在室温下以1℃/min的升温速率升到300度之后,保温2小时,冷却到室温后得到一定量CoP负载的CoP/g-C3N4复合物(记为70Co/CN)。
Claims (8)
1.一种在g-C3N4表面生原位长CoP纳米颗粒的方法,其特征在于:包括以下步骤:
将一定比例的三聚氰胺以及氯化铵的混合物以一定的升温速率上升到一定的温度保温4个小时,最后得到g-C3N4;
将步骤(1)制备得到的氮化碳取一定量,通过超声均匀地分散在一定量的水中,称为溶液A,然后使一定量的六水硝酸钴和六亚甲基四胺溶解在一定量的水中,记为溶液B;将溶液B缓慢地滴加到溶液A中,在一定的温度下反应数小时;之后离心洗涤,先水洗后醇洗,最后在60度的真空干燥箱内干燥,得到Co(OH)2/g-C3N4复合物;
将步骤(2)中制备得到的Co(OH)2/g-C3N4复合物取出一部分,将此部分放在瓷方舟的一端,然后在另一端放置次磷酸钠,在惰性气氛围下煅烧两个小时,最后得到CoP/g-C3N4复合物。
2. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤 (1) 中使用的前驱体为三聚氰胺,氯化铵作为鼓泡剂,其比例为1:1。
3. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤 (1) 中的升温速率为两段式,先5℃/min升到300℃之后再2℃/min升到520℃保温时间为4小时。
4. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤 (2) 中所用溶剂为水,体积为10 ml,六水硝酸钴的用量为30-70 mg,随后加入等量的六亚甲基四胺,充分溶解后称为溶液B。
5. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤 (2) 中向溶液A中加入溶液B时必须得缓慢滴加(一秒一滴),之后先搅拌10 min,再超声10 min,以保证钴离子能够吸附在氮化碳表面。
6. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤 (2) 中当钴离子吸附在氮化碳表面之后,随后将溶液在90℃的油浴中反应6小时。
7. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤 (2) 反应6小时之后,使得溶液自然冷却到室温后,超声离心洗涤,先水洗三遍,再醇洗三遍,以保证完全洗去没有被吸附的钴离子以及其它没有反应完的物质或者是反应的副产物,在60℃真空干燥箱内烘干之后得到Co(OH)2/g-C3N4复合物。
8. 根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤 (3) 中,Co(OH)2/g-C3N4复合物和次磷酸钠分别放在瓷方舟的两端,其中次磷酸钠的质量是Co(OH)2/g-C3N4复合物的10倍,并且次磷酸钠要放置在靠近进气口处,以保证其能够产生足量的PH3气体并能用来磷化Co(OH)2/g-C3N4复合物,然后在惰性气氛下(氮气或者是氩气)加热到300℃,升温速率为1℃/min,之后保温2小时,冷却到室温后得到均匀分散的CoP/g-C3N4复合。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170905 |