CN108686680A - 单原子催化剂及其制备方法和在光解水产氢中的应用 - Google Patents
单原子催化剂及其制备方法和在光解水产氢中的应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108686680A CN108686680A CN201710229995.2A CN201710229995A CN108686680A CN 108686680 A CN108686680 A CN 108686680A CN 201710229995 A CN201710229995 A CN 201710229995A CN 108686680 A CN108686680 A CN 108686680A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- monatomic
- catalyst
- noble metal
- cadmium sulfide
- nano material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 33
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000006303 photolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 67
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 34
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical group [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 12
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 11
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 claims description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002057 nanoflower Substances 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000012295 chemical reaction liquid Substances 0.000 claims 1
- 229910052976 metal sulfide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 abstract description 8
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 230000002779 inactivation Effects 0.000 description 2
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 2
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 150000002171 ethylene diamines Chemical class 0.000 description 1
- 238000000192 extended X-ray absorption fine structure spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000000415 inactivating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000003863 metallic catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/02—Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
- B01J27/04—Sulfides
- B01J27/043—Sulfides with iron group metals or platinum group metals
- B01J27/045—Platinum group metals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/39—Photocatalytic properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
- C01B3/042—Decomposition of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
- C01B2203/1041—Composition of the catalyst
- C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
- C01B2203/1064—Platinum group metal catalysts
- C01B2203/107—Platinum catalysts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
- C01B2203/1041—Composition of the catalyst
- C01B2203/1082—Composition of support materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明属于纳米材料制备及制氢催化剂技术领域，具体涉及单原子催化剂及其制备方法和在光催化制氢中的应用。本发明所述催化剂为贵金属单原子负载于硫化镉纳米材料上的复合材料。其制备方法为：(1)制备硫化镉纳米材料；(2)将步骤(1)中硫化镉纳米材料引入到贵金属源的溶液中反应得到含前驱体的反应液；(3)从步骤(2)的反应液中分离出前驱体，对前驱体进行煅烧，得到所述复合材料。本发明所述单原子催化剂可用于光解水产氢，该催化剂的光催化产氢速率可高达47.41mmol h‑1 g‑1，是单纯使用硫化镉催化效率的将近50倍，显著提高了硫化镉基催化剂的光催化产氢效果。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备及制氢催化剂技术领域，具体涉及贵金属单原子催化剂及其制备方法和在光解水产氢中的应用。
背景技术
由于温室效应和环境污染等严重的全球性问题,构建洁净、环境友好的可再生新能源体系已经成为全球高度关注的焦点和重大战略。氢能具有高燃烧值，其燃烧产物是水，无环境污染,因此利用自然界丰富的太阳能光催化制氢作为可持续发展的新能源途径之一,正日益受到国际社会的高度关注。
然而上述光催化制氢反应通常需要在光催化剂的作用下进行。为了提高光催化剂产氢的活性，目前广泛使用的方法是在催化剂表面负载贵金属，但是贵金属价格昂贵，且在催化反应过程中只有极少量的贵金属起到催化作用，金属利用率远远低于理想水平，这无疑增加了反应成本。因此，为了充分利用催化活性位点，提高金属催化剂的催化性能，成为亟待解决的问题之一。作为一种不同于纳米催化和亚纳米催化的催化剂分散形态，单原子催化成为当今催化科学的最前沿课题之一。
目前，在制备单原子催化剂的过程中存在着一些难点。当金属粒子的尺寸减小到单原子水平时，其比表面积会迅速增大，从而导致金属表面自由能急剧增加，容易出现团聚和催化剂失活现象。另外，单原子金属的负载量往往比较低，制备高负载量的单原子催化剂也是一个巨大的挑战。
发明内容
为了改善以上所述单原子催化剂单原子负载量低，并且容易团聚失活的问题，本发明提供了一种硫化镉纳米材料负载贵金属的单原子催化剂，该催化剂不仅改善了贵金属利用率低的问题，并且催化剂表面高度分散的贵金属单原子在催化反应中可以保持高度稳定，实现催化效率的最大化。
本发明采用的技术方案如下：
一种单原子催化剂，所述催化剂为贵金属单原子负载于硫化镉纳米材料上的复合材料。
根据本发明，所述贵金属为铂族金属(Pt、Pd、Rh、Ru、Os或Ir)、Ag或Au；优选地，所述贵金属为Pt、Pd、Rh或Ru；还优选地，所述贵金属为Pt。
根据本发明，所述硫化镉纳米材料可以为CdS纳米线、CdS纳米片、CdS纳米棒、CdS纳米花或CdS纳米簇等，例如为CdS纳米线。
根据本发明，当所述硫化镉纳米材料为CdS纳米线时，其直径范围为40-200纳米，进一步为48-70纳米；长度范围为0.5-10微米，进一步为1-4微米。
根据本发明，所述贵金属单原子在硫化镉纳米材料上的负载量为大于0且小于等于1.0wt％，优选为0.2-1.0wt％，进一步优选为0.8-1.0wt％。
本发明还提供如上所述单原子催化剂的制备方法,包括如下步骤：
(1)制备硫化镉纳米材料；
(2)将步骤(1)中硫化镉纳米材料引入到贵金属源的溶液中反应得到含前驱体的反应液；
(3)从步骤(2)的反应液中分离出前驱体，对前驱体进行煅烧，得到所述复合材料。
根据本发明，步骤(1)所述硫化镉纳米材料具有如上所述的定义。
根据本发明，步骤(2)中，所述贵金属源的溶液使用的溶剂可以是水或有机溶剂。本发明对于所述有机溶剂没有特别的限制，不与反应物作用即可。例如所述有机溶剂可以选自醇类溶剂(如甲醇、乙醇)中的一种或多种。
根据本发明，步骤(2)中，对所使用的贵金属源没有特别限制，可用于制备贵金属单原子催化剂即可，如为贵金属的酸、贵金属酸的盐；以铂为例可以是铂酸、铂酸盐等。其中，所述铂酸例如为氯铂酸，所述铂酸盐例如为氯铂酸铵。
根据本发明，步骤(2)中，所述贵金属源与硫化镉纳米材料的摩尔比可以为1:300-1:5，优选为1:250-1:10，进一步优选为1:200-1:15。本发明可以根据需要调节反应中贵金属源的用量来制备不同贵金属单原子负载量的硫化镉纳米材料的单原子催化剂，所述催化剂中贵金属单原子最高负载量为1.0wt％。
根据本发明，步骤(2)中，所述反应温度可以为50-100℃，优选为70-90℃。
根据本发明，步骤(2)中，所述反应时间可以是1-24小时，优选2-4小时。
根据本发明，步骤(2)得到的反应液为悬浮液。
根据本发明，步骤(3)中的分离出前驱体的方法为过滤。
根据本发明，在步骤(3)中，所述煅烧优选在惰性气体中进行，例如在氮气或氩气等惰性气体中进行，进一步优选在氩气中进行。
根据本发明，在步骤(3)中，所述煅烧温度可以为100至160℃，优选为130-150℃。
根据本发明，在步骤(3)中，所述煅烧的时间可以为1-4小时，优选为2-4小时，例如为2小时。
根据本发明，在步骤(3)中，在煅烧完成之后，还包括降温步骤，所述降温步骤可以采取自然降温或程序降温。
根据本发明，如上所述制备方法可以采用不同形貌的硫化镉纳米材料和不同的贵金属源，调节不同的原料比例、反应温度和煅烧温度，从而制备得到不同贵金属单原子负载量的单原子催化剂。
本发明还提供如上所述单原子催化剂的用途，可用于光解水产氢、CO氧化及选择性氧化或NO还原与氧化等，优选为光解水产氢。
本发明还提供一种光解水产氢的方法，其中采用上述的单原子催化剂作为光催化剂催化水分解制备氢气。
本发明的有益效果：
本发明提供一种硫化镉纳米材料的表面负载贵金属单原子的单原子催化剂，该催化剂的催化性能优于现有的单原子催化剂，将其用于光催化制氢时，该催化剂的光催化产氢速率可高达47.41mmol h-1g-1，是单纯使用硫化镉催化效率的将近50倍，显著提高了硫化镉基催化剂的光催化产氢效果。
本发明还提供所述单原子催化剂的制备方法，所述方法可以采用不同形貌的硫化镉纳米材料和不同的贵金属源，调节不同的原料比例、反应温度和煅烧温度，从而制备得到不同贵金属单原子负载量的单原子催化剂。
更重要的，与现有技术相比，本发明还具有如下特点：
1.本发明方法制备过程简单，与现有技术中常使用的高温反应与高温煅烧相比，本发明采用低温热分解与惰性气体下低温煅烧的方法。
2.本发明制备的催化剂具有较高的单原子负载量，且不发生团聚，稳定性好，改善了现有技术中单原子催化剂中单原子负载量低，并且容易团聚失活的问题。
3.本发明制备的催化剂对可见光响应，催化水裂解产氢效率高，无污染，且可循环使用。
附图说明
图1实施例1和实施例2中制备的硫化镉纳米线以及单原子催化剂Pt&CdS的X-射线粉末衍射图。
图2实施例2中制备的单原子催化剂Pt&CdS的透射电镜图。
图3实施例2中制备的单原子催化剂Pt&CdS的聚光镜球差电镜暗场图。
图4实施例2中制备的单原子催化剂Pt&CdS的光催化水裂解产氢效果图。
图5实施例2中制备的单原子催化剂Pt&CdS的光催化水裂解产氢循环效果图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的通式化合物及其制备方法和应用做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
光催化剂Pt&CdS的X-射线粉末衍射图是通过MiniFlex II型粉末衍射仪进行表征。
光催化剂Pt&CdS的扫描电镜图是用JSM-6700型扫描电镜进行表征。
光催化剂Pt&CdS的透射电镜图是用FEI Tecnai F20型透射电镜和JEOL JEM-ARF200F聚光镜球差透射电镜进行表征。
小波处理的X射线吸收精细结构谱图(EXAFS)由北京同步辐射1W1B-X射线吸收谱实验站进行表征。
光催化剂Pt&CdS的光解水产氢效果图是通过LabSolar-ⅢAG光催化在线分析系统和气相色谱仪GC20161801检测。
实施例1硫化镉纳米线制备例
将40mg Cd(NO3)2·4H2O和28mg硫脲混合，加入10mL乙二胺，充分搅拌后置于20mL聚四氟乙烯反应釜中，在120-200℃下反应24小时，降至室温后，过滤，用水和乙醇洗涤，干燥，得到硫化镉纳米线产物。
实施例2单原子催化剂Pt&CdS的制备例
将50mg硫化镉纳米线分散在氯铂酸水溶液中，在70-90℃下，搅拌反应2-4小时，得到悬浮液，过滤，得到固体前驱体，并用水和乙醇洗涤后干燥，将得到的前驱体在氩气气氛中升温至130-150℃，保持两个小时，然后自然降温至室温，得到硫化镉纳米材料负载的铂单原子催化剂Pt&CdS。
图1为硫化镉纳米线及其负载铂单原子前后的粉末图，证明负载过程对硫化镉的晶体结构没有造成破坏。
图2为Pt&CdS在明场下拍摄的透射电镜图片，由于透射电镜的分辨率较低，观察不到铂原子，同时证明负载过程中没有形成纳米铂颗粒。
图3为Pt&CdS在聚光镜球差电镜下拍摄的暗场高分辨透射电镜图片，亮点代表铂单原子，图3直观地表明硫化镉表面单原子的成功负载。
实施例3单原子催化剂Pt&CdS作为光解水产氢的光催化剂的产氢速率测试
向反应釜中加入90毫升去离子水，10毫升乳酸，100毫克样品，盖上反应釜，边搅拌边用真空泵抽真空至液体中不再产生气泡，使用300W氙灯(uvcut 420滤光片)照射。每小时采样一次，采样六次，记录下峰面积，计算氢气产量和产氢速率。本发明中，光催化剂Pt&CdS的产氢速率为47.41mmol h-1g-1。
图4为单独使用纳米线硫化镉和催化剂Pt&CdS在乳酸水溶液中的产氢速率对比，硫化镉的产氢速率为1.02mmol h-1g-1，催化剂Pt&CdS的产氢速率为47.41mmol h-1g-1，是单独使用硫化镉产氢速率的46.48倍。
图5为催化剂Pt&CdS连续进行五次光催化产氢循环实验的效果图。结果证明催化剂Pt&CdS中单原子负载的稳定性很好，催化剂可多次循环使用。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单原子催化剂，其特征在于，所述催化剂为贵金属单原子负载于硫化镉纳米材料上的复合材料。
2.如权利要求1所述的单原子催化剂，其特征在于，所述贵金属为铂族金属(Pt、Pd、Rh、Ru、Os或Ir)、Ag或Au；
优选地，所述贵金属为Pt、Pd、Rh或Ru；
还优选地，所述贵金属为Pt。
3.如权利要求1或2所述的单原子催化剂，其特征在于，所述硫化镉纳米材料可以为CdS纳米线、CdS纳米片、CdS纳米棒、CdS纳米花或CdS纳米簇等，例如为CdS纳米线。
优选地，当所述硫化镉纳米材料为CdS纳米线时，其直径范围为40-200纳米，进一步为48-70纳米；长度范围为0.5-10微米，进一步为1-4微米。
4.如权利要求1-3任一项所述的单原子催化剂，其特征在于，所述贵金属单原子在硫化镉纳米材料上的负载量为大于0且小于等于1.0wt％，优选为0.2-1.0wt％，进一步优选为0.8-1.0wt％。
5.权利要求1-4任一项所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备硫化镉纳米材料；
(2)将步骤(1)中硫化镉纳米材料引入到贵金属源的溶液中反应得到含前驱体的反应液；
(3)从步骤(2)的反应液中分离出前驱体，对前驱体进行煅烧，得到所述复合材料。
6.如权利要求5所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述贵金属源的溶液使用的溶剂可以是水或有机溶剂。本发明对于所述有机溶剂没有特别的限制，不与反应物作用即可。例如所述有机溶剂可以选自醇类溶剂(如甲醇、乙醇)中的一种或多种。
优选地，步骤(2)中，对所使用的贵金属源没有特别限制，可用于制备贵金属单原子催化剂即可，如为贵金属的酸、贵金属酸的盐；以铂为例可以是铂酸、铂酸盐等。其中，所述铂酸例如为氯铂酸，所述铂酸盐例如为氯铂酸铵。
7.如权利要求5或6所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述贵金属源与硫化镉纳米材料的摩尔比为1:300-1:5，进一步优选为1:250-1:10，更进一步优选为1:200-1:15。
优选地，步骤(2)中，所述反应温度为50-100℃，进一步优选为70-90℃。
优选地，步骤(2)中，所述反应时间为1-24小时，进一步优选2-4小时。
优选地，步骤(2)得到的反应液为悬浮液。
8.如权利要求5-7任一项所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的分离出前驱体的方法为过滤。
优选地，在步骤(3)中，所述煅烧优选在惰性气体中进行，例如在氮气或氩气等惰性气体中进行，进一步优选在氩气中进行。
优选地，在步骤(3)中，所述煅烧温度为100至160℃，进一步优选为130-150℃。
优选地，在步骤(3)中，所述煅烧的时间为1-4小时，进一步优选为2-4小时，例如为2小时。
优选地，在步骤(3)中，在煅烧完成之后，还包括降温步骤，所述降温步骤可以采取自然降温或程序降温。
9.如权利要求1-4任一项所述单原子催化剂的用途，其特征在于，可用于光解水产氢、CO氧化及选择性氧化或NO还原与氧化等，优选为光解水产氢。
10.一种光解水产氢的方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述单原子催化剂作为光催化剂催化水分解制备氢气。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710229995.2A CN108686680A (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 单原子催化剂及其制备方法和在光解水产氢中的应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710229995.2A CN108686680A (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 单原子催化剂及其制备方法和在光解水产氢中的应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108686680A true CN108686680A (zh) | 2018-10-23 |
Family
ID=63843188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710229995.2A Pending CN108686680A (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 单原子催化剂及其制备方法和在光解水产氢中的应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108686680A (zh) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110064410A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-07-30 | 深圳大学 | 一种极简便制备贵金属单原子催化剂的方法 |
| CN110327920A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-15 | 华南师范大学 | 一种单原子催化剂及其制备方法和应用 |
| CN110449176A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-11-15 | 江南大学 | 一种非贵金属单原子催化剂的制备方法及应用 |
| CN110773158A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-02-11 | 清华大学深圳国际研究生院 | 基于金属单原子的室温催化净化VOCs的材料及其制备方法 |
| CN111013576A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-17 | 中南大学 | 一种基于表面固定法制备的单原子催化剂 |
| CN113042071A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-29 | 陕西科技大学 | 一种单原子Pd修饰CdS纳米催化剂及其制备方法 |
| CN113617367A (zh) * | 2020-05-06 | 2021-11-09 | 中国科学院城市环境研究所 | 一种贵金属钌单原子负载型催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113769763A (zh) * | 2021-10-11 | 2021-12-10 | 陕西科技大学 | 一种CdS-Au纳米催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113769761A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-10 | 电子科技大学 | 一种硫化镉表面锚定铜原子簇的制备方法及应用 |
| CN114054049A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-02-18 | 绍兴文理学院 | 一种双金属硫化物复合催化剂及其制备方法与应用 |
| CN114570429A (zh) * | 2020-11-30 | 2022-06-03 | 浙江工业大学 | 一种单原子负载共价有机框架材料及其制备与在光解水制氢中的应用 |
| WO2022121574A1 (zh) * | 2020-12-11 | 2022-06-16 | 北京光合氢能科技有限公司 | 通过能量辐射产生氢分子的方法 |
| CN114950412A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-08-30 | 清华大学 | 一种原子重构制备单原子与纳米簇协同负载型催化剂的方法 |
| CN116273059A (zh) * | 2022-09-07 | 2023-06-23 | 山东大学 | 高选择性光还原二氧化碳制甲烷的光催化材料及其制备方法和应用 |
| CN116510749A (zh) * | 2023-04-07 | 2023-08-01 | 云南大学 | 二元金属硫化物基单原子催化剂的制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104437561A (zh) * | 2014-10-31 | 2015-03-25 | 中国科学院理化技术研究所 | 利用表面等离子体共振效应与电子传输协同作用的纳米团簇光催化剂及其制备方法和应用 |
| CN104923264A (zh) * | 2015-05-28 | 2015-09-23 | 淮北师范大学 | 一种贵金属修饰的CdS纳米棒光催化剂的制备方法和应用 |
| CN106179410A (zh) * | 2016-07-01 | 2016-12-07 | 上海电力学院 | 一种光催化分解水制氢的光催化剂及其制备方法 |
-
2017
- 2017-04-10 CN CN201710229995.2A patent/CN108686680A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104437561A (zh) * | 2014-10-31 | 2015-03-25 | 中国科学院理化技术研究所 | 利用表面等离子体共振效应与电子传输协同作用的纳米团簇光催化剂及其制备方法和应用 |
| CN104923264A (zh) * | 2015-05-28 | 2015-09-23 | 淮北师范大学 | 一种贵金属修饰的CdS纳米棒光催化剂的制备方法和应用 |
| CN106179410A (zh) * | 2016-07-01 | 2016-12-07 | 上海电力学院 | 一种光催化分解水制氢的光催化剂及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| XIAOGANG LI ET AL.: "Single-Atom Pt as Co-Catalyst for Enhanced Photocatalytic H2 Evolution", 《ADVANCED MATERIALS》 * |
| 付百学等: "《汽车发动机电控系统维修入门》", 31 January 2008, 中国电力出版社 * |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110064410A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-07-30 | 深圳大学 | 一种极简便制备贵金属单原子催化剂的方法 |
| CN110327920A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-15 | 华南师范大学 | 一种单原子催化剂及其制备方法和应用 |
| CN110449176A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-11-15 | 江南大学 | 一种非贵金属单原子催化剂的制备方法及应用 |
| CN110773158A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-02-11 | 清华大学深圳国际研究生院 | 基于金属单原子的室温催化净化VOCs的材料及其制备方法 |
| CN110773158B (zh) * | 2019-10-29 | 2022-12-23 | 清华大学深圳国际研究生院 | 基于金属单原子的室温催化净化VOCs的材料及其制备方法 |
| CN111013576A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-17 | 中南大学 | 一种基于表面固定法制备的单原子催化剂 |
| CN113617367B (zh) * | 2020-05-06 | 2023-06-06 | 中国科学院城市环境研究所 | 一种贵金属钌单原子负载型催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113617367A (zh) * | 2020-05-06 | 2021-11-09 | 中国科学院城市环境研究所 | 一种贵金属钌单原子负载型催化剂及其制备方法和应用 |
| CN114570429A (zh) * | 2020-11-30 | 2022-06-03 | 浙江工业大学 | 一种单原子负载共价有机框架材料及其制备与在光解水制氢中的应用 |
| CN114570429B (zh) * | 2020-11-30 | 2023-09-05 | 浙江工业大学 | 一种单原子负载共价有机框架材料及其制备与在光解水制氢中的应用 |
| CN116710203A (zh) * | 2020-12-11 | 2023-09-05 | 北京光合氢能科技有限公司 | 通过能量辐射产生氢分子的方法 |
| WO2022121574A1 (zh) * | 2020-12-11 | 2022-06-16 | 北京光合氢能科技有限公司 | 通过能量辐射产生氢分子的方法 |
| CN113042071A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-29 | 陕西科技大学 | 一种单原子Pd修饰CdS纳米催化剂及其制备方法 |
| CN113769761B (zh) * | 2021-09-22 | 2022-07-29 | 电子科技大学 | 一种硫化镉表面锚定铜原子簇的制备方法及应用 |
| CN113769761A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-10 | 电子科技大学 | 一种硫化镉表面锚定铜原子簇的制备方法及应用 |
| CN113769763A (zh) * | 2021-10-11 | 2021-12-10 | 陕西科技大学 | 一种CdS-Au纳米催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113769763B (zh) * | 2021-10-11 | 2023-11-07 | 陕西科技大学 | 一种CdS-Au纳米催化剂及其制备方法和应用 |
| CN114054049A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-02-18 | 绍兴文理学院 | 一种双金属硫化物复合催化剂及其制备方法与应用 |
| CN114950412A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-08-30 | 清华大学 | 一种原子重构制备单原子与纳米簇协同负载型催化剂的方法 |
| CN116273059A (zh) * | 2022-09-07 | 2023-06-23 | 山东大学 | 高选择性光还原二氧化碳制甲烷的光催化材料及其制备方法和应用 |
| CN116273059B (zh) * | 2022-09-07 | 2024-05-10 | 山东大学 | 高选择性光还原二氧化碳制甲烷的光催化材料及其制备方法和应用 |
| CN116510749A (zh) * | 2023-04-07 | 2023-08-01 | 云南大学 | 二元金属硫化物基单原子催化剂的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108686680A (zh) | 单原子催化剂及其制备方法和在光解水产氢中的应用 | |
| Li et al. | Vacancy-enabled mesoporous TiO2 modulated by nickel doping with enhanced photocatalytic nitrogen fixation performance | |
| US11111561B2 (en) | Preparation method and use of thickness-controllable bismuth nanosheet and bismuth alloy nanosheet | |
| CN110327920A (zh) | 一种单原子催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN110201696B (zh) | 一种多孔碳纤维担载高分散贵金属纳米颗粒的制备方法 | |
| CN109453766B (zh) | 一种原子级分散的Ag负载TiO2介孔纳米带光催化剂的制备方法 | |
| Feng et al. | Ultra-fine Cu clusters decorated hydrangea-like titanium dioxide for photocatalytic hydrogen production | |
| CN106984337B (zh) | CdS-MoS2纳米颗粒共同掺杂黑色多孔二氧化钛光催化剂 | |
| CN113083365B (zh) | 一种高加氢选择性Pt基合金/MOFs催化剂的制备方法及应用 | |
| CN112076738B (zh) | 一种硼掺杂缺陷型氧化锌及其制备方法和应用 | |
| Mao et al. | Pt–Ni x alloy nanoparticles: a new strategy for cocatalyst design on a CdS surface for photo-catalytic hydrogen generation | |
| CN112675894A (zh) | 一种空心环状氮化碳光催化剂及其制备方法 | |
| CN105664969B (zh) | 一种二氧化钛-铂-四氧化三钴三元复合光催化材料及其制备方法 | |
| CN110339852B (zh) | 一种CoO@氮硫共掺杂碳材料/CdS复合光催化材料、制备方法及其应用 | |
| CN114570429A (zh) | 一种单原子负载共价有机框架材料及其制备与在光解水制氢中的应用 | |
| CN109603800A (zh) | 一种超薄多金属纳米片堆叠组装材料的制备方法及其应用 | |
| CN113731466B (zh) | 一种MoC/氮掺杂碳/g-C3N4复合光催化剂及其制备和应用 | |
| CN109012693B (zh) | 一种Pd-Ni多孔纳米笼催化材料的制备方法与应用 | |
| Li et al. | High-Density Ultrafine Au Nanocluster-Doped Co-LDH Nanocages for Enhanced Visible-Light-Driven CO2 Reduction | |
| CN110665546A (zh) | 一种贵金属/氨基MOFs选择性加氢催化剂、制备方法及其用途 | |
| CN110560172A (zh) | 一种具有光催化性能的锆金属有机框架异质结材料及其制备方法 | |
| CN112844489B (zh) | 一种三相异质结光催化剂及其制备方法和应用、复合光催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN112588324B (zh) | 一锅法制备复合光催化剂CdS/ZIF-8的方法及其应用 | |
| CN103736483B (zh) | 一种高活性高耐久性的燃料电池铂基催化剂的制备方法 | |
| CN105749908A (zh) | 一种AuTiO2空心核壳结构光催化剂及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181023 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |