CN109499567B - 一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法及其应用,通过表面性质调控和/或界面修饰法组合策略提高金属团簇的光稳定性,通过氟离子包裹以减少二氧化钛表面的羟基含量,从而降低金属团簇的团聚;在此基础上,用聚乙烯亚胺对材料表面进行修饰,可以进一步提供金属团簇的光稳定性。在可见光光照下,该催化剂表现出良好的光催化还原六价铬的活性和稳定性;由于制备方法简单易行,催化剂廉价且方便回收重复利用,该复合型光催化材料在材料制备技术领域和环境污染物治理领域具有广泛地实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光催化材料制备和光催化技术领域,具体涉及一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
纳米金团簇,是指尺寸小于2nm,由确定数目的金原子组成的相对稳定的分子级聚集体。由于量子尺寸效应,金团簇具有独特的光学性质、电学性质、化学活性等,并在生物传感、免疫反应、异相催化和太阳能转化等领域中得到广泛应用。
在太阳能转化的应用中,纳米金团簇不但能够作为反应活性位点,而且还能够作为光敏剂产生光生电子空穴对,拓展材料在可见光区的吸收范围和强度。例如,纳米金团簇负载型光催化剂可以被用于光解水产氢,选择性有机转化和污染降解等。但是,纳米金团簇面临着光稳定性的问题,即,长时间光照会导致纳米金团簇团聚长大为金颗粒,从而失去催化活性。如何提高金属团簇的光稳定性是目前金属团簇面临的一个难点。通常,金属团簇是负载在半导体载体上然后进行光催化反应,而载体的表面性质无疑会对金属团簇的催化活性及稳定性产生影响,然而,如何通过优化载体的表面性质来提高金属团簇的光稳定性的研究仍鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处,提供了一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法及其应用,解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)二氧化钛纳米材料的制备:
a.将钛酸正四丁酯和氢氟酸混合搅拌后加入到反应釜中,在175~185℃水热22~26h,后离心、洗涤、干燥得到表面调控的二氧化钛纳米材料;或,
b.二氧化钛纳米材料的制备:将钛酸正四丁酯和水混合搅拌后加入到反应釜中,在175~185℃水热22~26h,后离心、洗涤、干燥得到二氧化钛纳米材料;
(2)界面修饰的二氧化钛纳米材料的制备:将步骤(1)-a或(1)-b制得的二氧化钛纳米材料加入到乙醇中,并加入支化聚乙烯亚胺水溶液,然后在55~65℃回流3~4h,然后离心、洗涤、干燥得到界面修饰二氧化钛纳米材料;
(3)纳米金团簇的制备:将氯化金三水合物分散到水中,加入半胱氨酸搅拌至无色后在65~75℃回流22~26h,然后用乙腈进行纯化,并用水和乙腈的混合溶液洗涤,最后分散在水溶液中得到纳米金团簇水溶液;
(4)复合催化剂的制备:将步骤(2)制得的界面修饰二氧化钛纳米材料分散到水中,加入浓盐酸调节体系的pH为2,然后逐滴加入0.2mg/mL纳米金团簇水溶液,搅拌后,离心、洗涤、干燥得到纳米金团簇-二氧化钛纳米材料复合催化剂。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(1)-a中钛酸正四丁酯和氢氟酸的体积比为5:1。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(1)-b中钛酸正四丁酯和水的体积比为5:1。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(2)中支化聚乙烯亚胺水溶液的浓度为84~88mg/mL。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(3)中氯化金三水合物、水、半胱氨酸的用量比为0.22~0.26g:300mL:0.27~0.28g。
在本发明一较佳实施例中,所述步骤(3)水和乙腈的混合溶液中水与乙腈体积比为1:3。
在本发明一较佳实施例中,本发明还提供了一种金属团簇光稳定性催化剂在可见光下还原有毒六价铬的应用。
在本发明一较佳实施例中,取10mg所制的催化剂加入到含有60μL三乙醇胺的40mL浓度为5ppm的六价铬水溶液中混合超声,在室温下搅拌3~4h以达到吸附平衡,而后用波长>420nm的可见光照射反应体系,光照2h后,离心将反应溶液中的催化剂除去,用紫外可见分光光度计测试溶液中六价铬的浓度。
在本发明一较佳实施例中,所述催化剂在波长>420nm的可见光下照射2h,六价铬的转化率至少64%,经过4次循环之后转化率维持在40%。
本技术方案与背景技术相比,它具有如下优点:
1.通过表面性质调控和/或界面修饰法策略提高金属团簇的光稳定性,通过氟离子包裹以减少二氧化钛表面的羟基含量,从而降低金属团簇的团聚;用聚乙烯亚胺对材料表面进行修饰,进一步提供金属团簇的光稳定性,在可见光光照下,该催化剂表现出良好的光催化还原六价铬的活性和稳定性。
2.开发高效、稳定的可见光驱动的六价铬还原的光催化剂,有利于环境和能源的可持续发展。
3.制备方法简单易行,催化剂廉价且方便回收重复利用,本发明催化剂在制备技术领域和环境污染物治理领域具有广泛地实用价值和应用前景。
附图说明
图1a至d为二氧化钛纳米颗粒和二氧化钛纳米片不同能带的X射线光电子能谱图。
图2a为纳米金团簇-二氧化钛纳米颗粒复合型催化剂光照0.5h后的透射电镜图,以及图2b金颗粒的粒径分布图。
图3a为表面调控和界面修饰的纳米金团簇-二氧化钛纳米片复合型催化剂光照5h后的透射电镜图,以及图3b金颗粒的粒径分布图。
图4二氧化钛纳米颗粒、二氧化钛纳米片、界面修饰的纳米金团簇-二氧化钛纳米颗粒以及表面调控和界面修饰的纳米金团簇-二氧化钛纳米片复合型催化剂还原六价铬的活性图。
图5界面修饰的纳米金团簇-二氧化钛纳米颗粒以及表面调控和界面修饰的纳米金团簇-二氧化钛纳米片复合型催化剂还原六价铬的4个周期稳定性分布图。
具体实施方式
实施例1
请查阅图3,本实施例的一种金属团簇光稳定性催化剂为表面调控和界面修饰的纳米金团簇-二氧化钛纳米片(TSBA),其制备步骤如下:
(1)二氧化钛纳米材料的制备:将5mL的钛酸正四丁酯(Ti(OBu)4)和1mL的氢氟酸混合加入反应釜中在180℃反应24h,然后冷却、离心、洗涤、干燥得到二氧化钛纳米片;
(2)界面修饰的二氧化钛纳米材料的制备:将0.4g二氧化钛纳米片分散到200mL乙醇溶液中,然后加入4mL支化聚乙烯亚胺水溶液(86mg/mL),在60℃下回流4h后得到界面修饰的二氧化钛纳米片;
(3)纳米金团簇的制备:将0.24g氯化金三水合物分散到300mL水中,加入0.276g半胱氨酸搅拌至无色后在70℃回流24h,然后用乙腈进行纯化,并用水比乙腈为体积比1:3的混合溶液洗涤,最后分散在水溶液中得到纳米金团簇水溶液;
(4)复合催化剂的制备:将100mg的界面修饰的二氧化钛纳米片分散到100mL水中,滴入5mL纳米金团簇(0.2mg/mL),搅拌1h后得到纳米金团簇-二氧化钛纳米片复合型光催化剂(TSBA)。
实施例2
请查阅图2,本实施例的一种金属团簇光稳定性催化剂为界面修饰的纳米金团簇-二氧化钛纳米颗粒(TPBA),其制备步骤如下:
(1)二氧化钛纳米材料的制备:将5mL的钛酸正四丁酯(Ti(OBu)4)和1mL的水混合加入反应釜中在180℃反应24h,然后冷却、离心、洗涤、干燥得到二氧化钛纳米颗粒;
(2)界面修饰的二氧化钛纳米材料的制备:将0.4g二氧化钛纳米颗粒分散到200mL乙醇溶液中,然后加入4mL支化聚乙烯亚胺水溶液(86mg/mL),在60℃下回流4h后得到界面修饰的二氧化钛纳米颗粒;
(3)纳米金团簇的制备:将0.24g氯化金三水合物分散到300mL水中,加入0.276g半胱氨酸搅拌至无色后在70℃回流24h,然后用乙腈进行纯化,并用水比乙腈为体积比1:3的混合溶液洗涤,最后分散在水溶液中得到纳米金团簇水溶液;
(4)复合催化剂的制备:将100mg的界面修饰的二氧化钛纳米颗粒分散到100mL水中,滴入5mL纳米金团簇(0.2mg/mL),搅拌1h后得到纳米金团簇-二氧化钛纳米颗粒复合型光催化剂(TPBA)。
对比例1
请查阅图1,一种二氧化钛纳米片(TNS),其制备步骤如下:
将5mL的钛酸正四丁酯(Ti(OBu)4)和1mL的氢氟酸混合加入反应釜中在180℃反应24h,然后冷却、离心、洗涤、干燥得到二氧化钛纳米片(TNS)。
对比例2
请查阅图1,一种二氧化钛纳米颗粒(TNP),其制备步骤如下:
将5mL的钛酸正四丁酯(Ti(OBu)4)和1mL的水混合加入反应釜中在180℃反应24h,然后冷却、离心、洗涤、干燥得到二氧化钛纳米颗粒(TNP)。
在可见光下还原有毒六价铬的实验:
分别取10mg实施例1、实施例2、对比例1和对比例2所制的催化剂,加入到含有60μL三乙醇胺的40mL浓度为5ppm的六价铬水溶液中混合超声,在室温下搅拌3h以达到吸附平衡,而后用波长>420nm的可见光照射反应体系,光照2h后,离心将反应溶液中的催化剂除去,用紫外可见分光光度计测试溶液中六价铬的浓度。
请查阅图4和5,在波长>420nm的可见光下照射2h,TPBA、TSBA的六价铬转化率至少64%,TSBA经过4次循环之后转化率仍维持在40%。
以上所述,仅为本发明较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (9)
1.一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法,其特征在于:所述金属团簇光稳定性催化剂为纳米金团簇-二氧化钛纳米材料复合催化剂,其制备方法包括如下步骤:
(1)二氧化钛纳米材料的制备:
将钛酸正四丁酯和氢氟酸混合搅拌后加入到反应釜中,在175~185℃水热22~26h,后离心、洗涤、干燥得到表面调控的二氧化钛纳米材料;
(2)界面修饰的二氧化钛纳米材料的制备:将步骤(1)制得的二氧化钛纳米材料加入到乙醇中,并加入支化聚乙烯亚胺水溶液,然后在55~65℃回流3~4h,然后离心、洗涤、干燥得到界面修饰二氧化钛纳米材料;
(3)纳米金团簇的制备:将氯化金三水合物分散到水中,加入半胱氨酸搅拌至无色后在65~75℃回流22~26h,然后用乙腈进行纯化,并用水和乙腈的混合溶液洗涤,最后分散在水溶液中得到纳米金团簇水溶液;
(4)复合催化剂的制备:将步骤(2)制得的界面修饰二氧化钛纳米材料分散到水中,加入浓盐酸调节体系的pH为2,然后逐滴加入0.2mg/mL纳米金团簇水溶液,搅拌后,离心、洗涤、干燥得到纳米金团簇-二氧化钛纳米材料复合催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中钛酸正四丁酯和氢氟酸的体积比为5:1。
3.根据权利要求1所述的一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中支化聚乙烯亚胺水溶液的浓度为84~88mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中氯化金三水合物、水、半胱氨酸的用量比为0.22~0.26g:300mL:0.27~0.28g。
5.根据权利要求1所述的一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)水和乙腈的混合溶液中水与乙腈体积比为1:3。
6.根据权利要求1所述的一种金属团簇光稳定性催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中所述界面修饰二氧化钛纳米材料和纳米金团簇的质量比为100:1。
7.如权利要求1~6任一项所述制备方法制备的一种金属团簇光稳定性催化剂在可见光下还原有毒六价铬的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,包括如下步骤:取10mg所制的催化剂加入到含有60μL三乙醇胺的40mL浓度为5ppm的六价铬水溶液中混合超声,在室温下搅拌3~4h以达到吸附平衡,而后用波长>420nm的可见光照射反应体系,光照2h后,离心将反应溶液中的催化剂除去,用紫外可见分光光度计测试溶液中六价铬的浓度。
9.根据权利要求7所述的应用,其特征在于:所述催化剂在波长>420nm的可见光下照射2h,六价铬的转化率至少64%,经过4次循环之后转化率维持在40%。
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