CN109395746B - 一种柔性纸基光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性纸基光催化剂及其制备方法，涉及光催化剂领域。柔性纸基光催化剂的制备方法，其包括：采用镍纸作为基质，通过一步水热法制备Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂。通过该制备方法制备得到的柔性纸基光催化剂在可见光照射下具有显著的光催化活性。同时，该光催化剂具有柔性，可根据不同的使用环境弯曲或裁剪成不同的形状与尺寸，并且可以进行灵活的回收，从而有效地解决现有技术中的粉末光催化剂难以分离、回收的问题。因此，该光催化剂将柔性、低成本、易制造、可见光响应和易回收等特性进行了完美结合，在水危机中具有巨大的潜在应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光催化剂领域，且特别涉及一种柔性纸基光催化剂及其制备方法。
背景技术
面对全球日益深化的水资源短缺和水污染危机，迫切需要开发用于光催化产氢的可见光光催化剂。然而，光催化剂主要是粉末和纳米颗粒的形式，这使得催化剂的回收不可避免地依赖于昂贵的分离系统。因此，光催化剂的回收面临着巨大的挑战，严重限制了它们的工业应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性纸基光催化剂的制备方法，该制备方法制备得到的光催化剂在可见光照射下具有显著的光催化活性。同时，该光催化剂具有柔性，可根据不同的使用环境弯曲或裁剪成不同的形状与尺寸，并且可以进行灵活的回收，从而有效地解决现有技术中的粉末光催化剂难以分离、回收的问题。因此，该光催化剂将柔性、低成本、易制造、可见光响应和易回收等特性完美地结合，在水危机中具有巨大的潜在应用价值。
本发明的另一目的在于提供一种柔性纸基光催化剂，该柔性纸基光催化剂通过上述的柔性纸基光催化剂的制备方法制备得到的。因此，该柔性纸基光催化剂在可见光照射下具有显著的光催化活性。同时，该光催化剂具有柔性，可根据不同的使用环境弯曲或裁剪成不同的形状与尺寸，并且可以进行灵活的回收，从而有效地解决现有技术中的粉末光催化剂难以分离、回收的问题。因此，该光催化剂将柔性、低成本、易制造、可见光响应和易回收等特性完美地结合，在水危机中具有巨大的潜在应用价值。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种柔性纸基光催化剂的制备方法，其包括：
采用镍纸作为基质，通过一步水热法制备Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂。
本发明提出一种柔性纸基光催化剂，其通过上述的柔性纸基光催化剂的制备方法制备得到。
本发明实施例的柔性纸基光催化剂及其制备方法的有益效果是：通过该制备方法制备得到的柔性纸基光催化剂在可见光照射下具有显著的光催化活性。同时，该光催化剂具有柔性，可根据不同的使用环境弯曲或裁剪成不同的形状与尺寸，并且可以进行灵活的回收，从而有效地解决现有技术中的粉末光催化剂难以分离、回收的问题。因此，该光催化剂将柔性、低成本、易制造、可见光响应和易回收等特性完美地结合，在水危机中具有巨大的潜在应用价值。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的柔性纸基光催化剂及其制备方法进行具体说明。
一种柔性纸基光催化剂的制备方法，其包括：
采用镍纸作为基质，通过一步水热法制备Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，采用镍纸作为基质，通过一步水热法制备Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂，具体包括：
将硫脲和谷胱甘肽加入烧杯中，然后向烧杯中加入硝酸镉形成混合溶液，并混合均匀；
将混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬反应釜中；
将除去了表面氧化物和多余杂质的镍纸加入到聚四氟乙烯内衬反应釜中配制好的混合溶液中；
将聚四氟乙烯内衬反应釜放置在烘箱中进行水热反应；
待反应结束后依次进行水洗和真空干燥。
详细地，在该方法中，使用低成本的镍纸作为基质，通过一步水热法成功制备了Ni3S2/CdS纳米片/镍纸。其中，CdS作为光催化剂确保其在可见光区域的宽吸收带，Ni3S2可以有效地改善电子/空穴分离，使得该光催化剂在可见光照射下具有显著的光催化活性。此外，镍纸可以提供高的比表面积，暴露出丰富的光催化活性位点。同时由于该光催化剂呈纸状，因此，该光催化剂可根据不同的使用环境弯曲或裁剪成不同的形状与尺寸。并且，由于其纸质的呈现状态，使得该Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂可以进行灵活的回收，与以前报道的粉末光催化剂相比，这是一个显著的进步。因此，该光催化剂将柔性、低成本、易制造、可见光响应和易回收等特性完美地结合，在水危机中具有巨大的潜在应用价值。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，将硫脲和谷胱甘肽加入烧杯中，然后向烧杯中加入硝酸镉形成混合溶液，并混合均匀的步骤中，混合均匀具体包括：
将混合溶液放置于超声机中混合均匀。当然，在本发明的其他实施例中，混合溶液的混合也可以在其他混合容器中进行，本发明的实施例不做限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在超声机中混合的时间为5～15min。通过5～15min的超声处理，可使得混合溶液得到充分地混合。
优选地，在超声机中混合的时间可以选择为10min。当然，在本发明的其他实施例中，超声混合的时间还可以根据需求进行选择，本发明的实施例不做限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，将除去了表面氧化物和多余杂质的镍纸加入到聚四氟乙烯内衬反应釜中配制好的混合溶液的步骤中，去除表面氧化物和多余杂质具体包括：
将裁剪成一定面积的镍纸依次经过稀释的盐酸溶液洗、水洗和乙醇洗涤，去除其表面镍的氧化物和多余杂质。依次经过HCl酸洗、水洗和乙醇浸泡后可有效地去除氧化物和多余杂质。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，HCl溶液为0.1～1M的HCl溶液。通过该用量的HCl溶液可以有效地溶解镍纸表面的氧化物。
优选地，HCl溶液的用量可以选为0.5M。当然，在本发明的其他实施例中，HCl溶液的用量还可以根据需求进行选择，本发明的实施例不做限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，硫脲的用量为0.01～0.05M，谷胱甘肽的用量为0.003～0.009M，硝酸镉的用量为0.1mM～0.5M。优选地，硫脲的用量为0.03M，谷胱甘肽的用量为0.006M，硝酸镉的用量为0.1M。该用量的二者物质在混合后可利于后期高质量光催化剂的形成。当然，在本发明的其他实施例中，硫脲以及谷胱甘肽的用量还可以根据需求进行选择，本发明的实施例不做限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，将聚四氟乙烯内衬反应釜放置在烘箱中水热反应的步骤具体包括：
将聚四氟乙烯内衬反应釜放置在烘箱中以100～300℃的温度反应60～180min。优选地，温度可以为200℃，时间可以为120min。在此温度和预设时间内可以在充分形成Ni3S2/CdS纳米片/镍纸产品的同时又具有较高的光催化性能。当然，在本发明的其他实施例中，水热反应的温度以及时间均可以根据需求进行选择，本发明的实施例不做限定。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，真空干燥的温度为25～45℃。优选地，干燥温度可以为35℃。
一种柔性纸基光催化剂，通过上述的柔性纸基光催化剂的制备方法制备得到。
附图说明
图1是实施例1中合成的Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂的X射线衍射(XRD)图；
图2是实施例1中合成的Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂的扫描电子显微镜(SEM)图；
图3是实施例2中Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂在Na2S和Na2SO3的混合水溶液中的光催化性能图；
图4是实施例3中Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂在Na2S和Na2SO3的混合碱溶液中的光催化性能图；
图5是实施例4中Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂在糠醇(FFA)的碱溶液中的光催化性能图；
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种柔性纸基光催化剂，其通过以下制备方法制备得到：
S1：将0.03M硫脲和0.006M谷胱甘肽加入烧杯中，然后向烧杯中加入0.01M硝酸镉形成混合溶液，并在超声机中超声混合5min，使得混合溶液混合均匀；
S2：将混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬反应釜中；
S3：将裁剪成一定面积的镍纸依次经过0.5M HCl溶液洗、水洗和乙醇，去除其表面镍的氧化物和多余杂质，将除去了表面氧化物和多余杂质的镍纸加入到聚四氟乙烯内衬反应釜中配制好的混合溶液中；
S4：将聚四氟乙烯内衬反应釜放置在烘箱以200℃的温度反应120min；
S5：待水热反应结束后依次进行水洗和真空干燥，且真空干燥的温度为35℃。
S6：通过X射线电子衍射表征合成样品包含CdS(JCPDS No.77-2306)和Ni3S2(JCPDSNo.71-1682)两种组分，如图1；通过扫描电子显微镜观察到在镍纸表面生长了纳米片的形貌，如图2。
实施例2
本实施例提供了一种柔性纸基光催化剂在Na2S和Na2SO3的混合水溶液中的光催化性能：
S1：按照实施例1的制备方法合成Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂；
S2：在一个圆底烧瓶中，将7.5cm2的Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂置于含有0.35M Na2S和0.25M Na2SO3的混合水溶液中。将圆底烧瓶密封，并用氮气鼓泡30分钟以除去圆底烧瓶内的空气；
S3：在光催化过程中，使用配备有420nm截止滤光器的300W氙弧灯作为光源，并放置于离反应器10cm处，使用52.2mW/cm2的功率密度进行照射；
S4：通过配备有热导检测器的在线气相色谱仪分析产生的氢气，并记录不同时间下的产氢量，如图3，随着照射时间的增加，产氢量在逐渐增大，在10小时的产氢量为1.52毫升；
实施例3
本实施例提供了一种柔性纸基光催化剂在Na2S和Na2SO3的混合碱溶液中的光催化性能：
S1：按照实施例1的制备方法合成Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂；
S2：在一个圆底烧瓶中，将7.5cm2的Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂置于含有0.35M Na2S，0.25M Na2SO3和10M NaOH的混合碱溶液中。将圆底烧瓶密封，并用氮气鼓泡30分钟以除去圆底烧瓶内的空气；
S3：在光催化过程中，使用配备有420nm截止滤光器的300W氙弧灯作为光源，并放置于离反应器10cm处，使用52.2mW/cm2的功率密度进行照射；
S4：通过配备有热导检测器的在线气相色谱仪分析产生的氢气，并记录不同时间下的产氢量，如图4，随着照射时间的增加，产氢量在逐渐增大，在10小时的产氢量为5.02毫升；
实施例4
本实施例提供了一种柔性纸基光催化剂在糠醇(FFA)的碱溶液中的光催化性能：
S1：按照实施例1的制备方法合成Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂；
S2：在一个圆底烧瓶中，将7.5cm2的Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂置于含有10mM FFA和10M NaOH的混合碱溶液中。将圆底烧瓶密封，并用氮气鼓泡30分钟以除去圆底烧瓶内的空气；
S3：在光催化过程中，使用配备有420nm截止滤光器的300W氙弧灯作为光源，并放置于离反应器10cm处，使用52.2mW/cm2的功率密度进行照射；
S4：通过配备有热导检测器的在线气相色谱仪分析产生的氢气，并记录不同时间下的产氢量，如图5，随着照射时间的增加，产氢量在逐渐增大，在10小时的产氢量为7.35毫升。
对比例1
现有技术中的粉体光催化剂。相较于本申请文件，粉体光催化剂存在难以控制和回收的问题。而本发明的实施例提供的柔性纸基光催化剂可由于其纸状的特性方便控制、弯曲、成型，同时便于回收。
对比例2
现有技术中的薄膜光催化剂。相较于本申请文件，薄膜光催化剂虽然在粉体光催化剂的基础之上进行了一定的改进，但是仍然存在难以控制的问题。而本发明的实施例提供的柔性纸基光催化剂可由于其纸状的特性方便控制、弯曲、成型，同时便于回收。
对比例3
现有技术中的玻璃板的光催化剂。相较于本申请文件，薄玻璃板的光催化剂虽然在粉体光催化剂的基础之上进行了一定的改进可以便于回收了，但是仍然存在难以适配不同使用环境的问题。而本发明的实施例提供的柔性纸基光催化剂可由于其纸状的特性方便控制、弯曲、成型，可根据不同的使用环境弯曲或裁剪成不同的形状与尺寸，并且可以进行灵活的回收。
综上所述，通过该制备方法制备得到的柔性纸基光催化剂在可见光照射下具有显著的光催化活性。同时，该光催化剂具有柔性，可根据不同的使用环境弯曲或裁剪成不同的形状与尺寸，并且可以进行灵活的回收，从而有效地解决现有技术中的粉末光催化剂难以分离、回收的问题。因此，该光催化剂将柔性、低成本、易制造、可见光响应和易回收等特性完美地结合，在水危机中具有巨大的潜在应用价值。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种柔性纸基光催化剂的制备方法，其特征在于，其包括：
采用镍纸作为基质，通过一步水热法制备Ni3S2/CdS纳米片/镍纸基光催化剂；
其中，具体包括：
将0.01～0.05M的硫脲和0.003～0.009M的谷胱甘肽加入烧杯中，然后向烧杯中加入0.1mM～0.5M的硝酸镉形成混合溶液，并混合均匀；
将所述混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬反应釜中；
将除去了表面氧化物和多余杂质的镍纸加入到所述聚四氟乙烯内衬反应釜中配制好的所述混合溶液中；其中，去除表面氧化物和多余杂质具体为将裁剪成一定面积的镍纸依次经过稀释的盐酸溶液洗、水洗和乙醇洗涤，去除其表面镍的氧化物和多余杂质；
将所述聚四氟乙烯内衬反应釜放置在烘箱中水热反应；
待反应结束后依次进行水洗和真空干燥。
2.根据权利要求1所述的柔性纸基光催化剂的制备方法，其特征在于，将硫脲和谷胱甘肽加入烧杯中，然后向烧杯中加入硝酸镉形成混合溶液，并混合均匀的步骤中，混合均匀具体包括：
将所述混合溶液放置于超声机中混合均匀。
3.根据权利要求2所述的柔性纸基光催化剂的制备方法，其特征在于：
在所述超声机中混合的时间为5～15min。
4.根据权利要求1所述的柔性纸基光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述HCl溶液为0.1～1M的HCl溶液。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性纸基光催化剂的制备方法，其特征在于，将所述聚四氟乙烯内衬反应釜放置在烘箱中水热反应的步骤具体包括：
将所述聚四氟乙烯内衬反应釜放置在烘箱中以100～300℃的温度反应60～180min。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性纸基光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述真空干燥的温度为25～45℃。
7.一种柔性纸基光催化剂，其特征在于，通过权利要求1至6中任一项所述的柔性纸基光催化剂的制备方法制备得到。
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