CN109621991A - 一种新型含有Co-P键的太阳能制氢材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型含有Co‑P键的太阳能制氢材料及其制备方法和应用。本发明的含有Co‑P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料通过简单电化学剥离法和溶剂加热反应法制备，黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料具有典型的二维复合结构。所研制的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料可以有效地应用于光催化分解水制备氢气，Co‑P键可以加速黑磷纳米片与Co2P之间的光生载流子分离效率。本发明的含有Co‑P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料具有绿色、高效、低成本、可见光响应等优点。
Description
技术领域
本发明属于太阳能转换材料领域，尤其是涉及一种新型含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料及其制备方法和应用。
背景技术
进入21世纪以来，全球环境污染持续恶化，能源消耗量不断增加。为了解决化石燃料日趋枯竭的问题以及由于这些不可再生能源的燃烧造成的众多环境污染问题，开发绿色清洁的可再生能源势在必行。太阳能储量巨大，被认为是可循环的清洁能源，既经济又环保，也是现在研究人员研究的重点。但是太阳能难以被利用，主要是因为它是一种辐射能、转换效率低、不可携带和存储，因此难以直接利用，需要先对其进行转化。氢能是一种新型的清洁能源，它完全燃烧的产物是水，并不会对环境造成危害，此外它的热值也很高，是一种很有发展潜力的能源。但是氢能源的制备能耗较高，因此我们需要一种可以高效率、低能耗的制取氢气的方式。光催化分解水制氢利用太阳将水分解制备得到氢气具有安全可靠，无污染，可在常温常压下进行的特点，凭借其绿色、可持续利用的优点被认为是获取氢能的极为有效的新途径，也被称为“21世纪梦的技术”。高效光催化剂的寻找和开发成为了研究人员关注的焦点和难点。当前，传统的光催化剂在太阳能捕获效率和电荷转移上依然存在许多缺点。为了获得高效的太阳能制氢材料，必须提高光催化剂对太阳光的捕获效率和提高光催化剂内部的电荷转移效率，这也是当前光催化制氢领域面临的重大挑战和机遇。
基于此，本发明提出一种新型的含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料及其制备方法和应用。本发明的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料在可见光和近红外光区域具有较强吸收，同时Co-P键可以加速黑磷纳米片与Co2P之间的电荷传输，是一种可见光响应、绿色、稳定、低成本高效光催化分解水制氢的新能源材料。
发明内容
本发明的第一个目的是针对现有的太阳能光催化制氢材料在可见光和近红外光区域吸收能力弱、光催化剂载流子传输速度慢等不足，提出了黑磷纳米片/Co2P构建了Co-P键增强光催化剂载流子分离效率和光催化制氢性能。该催化剂尺寸在100-500nm。本发明的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料在可见光和近红外光区域具有强的吸收，同时，材料中的Co-P键可以加速了黑磷纳米片与Co2P之间的光生载流子传输和分离，在可见光和近红外光光照下可以实现光催化分解水制氢气。
本发明通过如下技术方案实现：
一种含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料，化学通式如下：黑磷纳米片/Co2P,黑磷纳米片和Co2P之间存在Co-P键,其中Co的质量分数范围在0.25-1.0％。
本发明的第二个目的是提供一种含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料的制备方法，结合了电化学剥离和高温溶剂反应法；该方法是在外加电场的作用下将黑磷剥离成为黑磷纳米片，再通过热反应法在二维的黑磷纳米片上原位生长Co2P，制备得到含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料。
该方法具体是：
(1)、将黑磷粉末在压片机上进行压片，得到直径为0.6cm的黑磷圆片，再将压制的黑磷圆片夹在聚四氟乙烯夹片电极上并连接在电源的负极上，将铂片电极连接在电源正极，以二甲亚砜溶为溶剂，四丁基四氟硼酸铵(0-0.1M)为电解质，在电压为0-5V的电场下进行电化学剥离反应，制备得到黑磷纳米片。
作为优选，电场电压为5V，电剥离的时间为1h。
(2)、将黑磷纳米片加入含有乙酰丙酮钴(Ⅱ)的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，在氮气气氛下180-200℃反应得到热制备得到含有0.25-1.0wt％Co2P的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料。
黑磷纳米片与乙酰丙酮钴的质量比为50:1-4；
作为黑磷纳米片优选，反应温度为180℃，反应时间为6小时。
本发明的第三个目的是涉及上述含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料的应用。该含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料可用于可见光驱动的光催化分解水制氢体系。
将本发明的含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料分散在含有Na2S和Na2SO3的水溶液中，在可见光/近红外光照射下，可以将水还原为氢气。
本发明的含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料是一种绿色、稳定、高效和可见光/近红外光响应的光催化分解水的材料。
一种含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料，其化学组成特征是由非贵金属元素组成，制备成本低。具有在可以吸收可见光及近红外光，是一种可见光及近红外光响应的太阳能制氢材料。
附图说明
图1.(a)黑磷纳米片SEM图；(b)黑磷纳米片与黑磷块体XRD谱图。
图2.Co2P/黑磷纳米片太阳能制氢材料TEM图。
图3.黑磷纳米片与黑磷纳米片/Co2P电极的光电流曲线图。
图4.不同Co2P/黑磷纳米片太阳能制氢材料光催化分解水制氢性能。
具体实施方式
以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述，但本领域技术人员了解，下述实施例不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化都在本发明的保护范围之内。
实施例1-1:
将100mg黑磷粉末在压片机1.50MPa下进行压片，得到直径为0.6cm的黑磷圆片，再将压制的黑磷圆片夹在聚四氟乙烯夹片电极上并连接在直流稳压电源的负极上，将铂片电极连接在电源正极，以二甲亚砜溶为溶剂，四丁基四氟硼酸铵(0.1M)为电解质，在电压为5V的电场下进行电化学剥离反应，30分钟后制备得到黑磷纳米片。将反应溶液在2000rpm/min转速下离心去除大颗粒的黑磷晶体粉末，然后将溶液在10000rpm rpm/min转速下离心的棕黑色固体，用无水乙醇清洗固体样品获得黑磷纳米片。如图1(a)所示,黑磷纳米片尺寸在500-2000nm范围。图1(b)给出了黑磷纳米片XRD普图，证明了黑磷纳米片的生成。
实施例1-2:
在容量为100ml的三口反应瓶中加入50ml含有50mg黑磷纳米片和1mg乙酰丙酮钴的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在氮气气氛下180℃反应6h。待反应结束后冷却到室温后，在10000rpm/min转速下离心获得含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.25％)太阳能制氢材料。图2给出了黑磷纳米片TEM图，证明了黑磷纳米片/Co2P的生成
实施例1-3:
在容量为100ml的三口反应瓶中加入50ml含有50mg黑磷纳米片和2mg乙酰丙酮钴的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在氮气气氛下180℃反应6h。待反应结束后冷却到室温后，在10000rpm/min转速下离心获得含有Co-P键的黑磷/Co2P(Co的质量分数为0.50％)太阳能制氢材料。
实施例1-4:
在容量为100ml的三口反应瓶中加入50ml含有50mg黑磷纳米片和3mg乙酰丙酮钴的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在氮气气氛下180℃反应6h。待反应结束后冷却到室温后，在10000rpm/min转速下离心获得含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.75％)太阳能制氢材料。
实施例1-5:
在容量为100ml的三口反应瓶中加入50ml含有50mg黑磷纳米片和4mg乙酰丙酮钴的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在氮气气氛下180℃反应6h。待反应结束后冷却到室温后，在10000rpm/min转速下离心获得含有Co-P键的黑磷/Co2P(Co的质量分数为1.00％)太阳能制氢材料。
实施例2-1:
在100ml含有0.5M Na2SO4的水溶液中，以本发明黑磷纳米片/Co2P或者黑磷纳米片涂盖的ITO玻璃为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为对电极，在300W氙灯下光照测试光电流曲线。如图3所示，在0.6V电压下，黑磷纳米片/Co2P电极光电流达到了1.67μA·cm2,黑磷纳米片电极电流达仅为0.23μA·cm2。磷纳米片/Co2P电极的光电流明显大于黑磷纳米片电极，说明Co-P键可以加速黑磷与Co2P的电荷转移速率。
实施例2-2：
以制备得到的含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.25％)为太阳能制氢材料，在容量为350ml的玻璃反应器中倒入200ml含有0.1M Na2S和0.1M Na2SO3的水溶液，加入10mg黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.25％)太阳能制氢材料。以300W的氙灯为光源，在可见照射下(λ>420nm)测试太阳能制氢材料分解水制备氢气的性能。每隔1小时测试体系中生氢气的含量。如图4所示，光照4小时后，生成的H2摩尔数为12.77μmol，制氢速率为319μmol h-1g-1。
实施例2-3：
以制备得到的含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.50％)为太阳能制氢材料，在容量为350ml的玻璃反应器中倒入200ml含有0.1M Na2S和0.1M Na2SO3的水溶液，加入10mg黑磷/纳米片Co2P(Co的质量分数为0.25％)太阳能制氢材料。以300W的氙灯为光源，在可见照射下(λ>420nm)测试太阳能制氢材料分解水制备氢气的性能。每隔1小时测试体系中生氢气的含量。如图4所示，光照4小时后，生成的H2摩尔数为16.22μmol，制氢速率为406μmol h-1g-1。
实施例2-4：
以制备得到的含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.75％)为太阳能制氢材料，在容量为350ml的玻璃反应器中倒入200ml含有0.1M Na2S和0.1M Na2SO3的水溶液，加入10mg黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.25％)太阳能制氢材料。以300W的氙灯为光源，在可见照射下(λ>420nm)测试太阳能制氢材料分解水制备氢气的性能。每隔1小时测试体系中生氢气的含量。如图4所示，光照4小时后，生成的H2摩尔数为21.44μmol，制氢速率为538μmol h-1g-1。
实施例2-5：
以制备得到的含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为1.00％)为太阳能制氢材料，在容量为350ml的玻璃反应器中倒入200ml含有0.1M Na2S和0.1M Na2SO3的水溶液，加入10mg黑磷纳米片/Co2P(Co的质量分数为0.25％)太阳能制氢材料。以300W的氙灯为光源，在可见照射下(λ>420nm)测试太阳能制氢材料分解水制备氢气的性能。每隔1小时测试体系中生氢气的含量。如图4所示，光照4小时后，生成的H2摩尔数为32.32μmol，制氢速率为808μmol h-1g-1。
Claims (8)
1.一种新型含有Co-P键的太阳能制氢材料，在可见光和近红外光区域具有强的吸收，特征在于化学组成为黑磷纳米片/Co2P,黑磷纳米片和Co2P之间存在Co-P键；其中Co的质量分数范围在0.25-1.0％。
2.如权利要求1所述的一种新型含有Co-P键的太阳能制氢材料的制备方法，该制备方法的特征在于该方法具体是在外加电场的作用下将黑磷剥离成为黑磷纳米片，再通过热反应法在二维的黑磷纳米片上原位生长Co2P，制备得到含有Co-P键的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于该方法具体是：
(1)、将黑磷粉末压片后夹在聚四氟乙烯夹片电极上并连接在电源的负极上，将铂片电极连接在电源正极，以二甲亚砜溶为溶剂，四丁基四氟硼酸铵为电解质，在电压为0-5V的电场下进行电化学剥离反应，制备得到黑磷纳米片；
(2)、将黑磷纳米片加入含有乙酰丙酮钴的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，在氮气气氛下180-200℃热反应制备得到含有0.25-1.0wt％Co2P的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤(1)电场电压为5V，电剥离的时间为1h。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤(1)反应温度为180℃，反应时间为6小时。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤(2)黑磷纳米片与乙酰丙酮钴的质量比为50:1-4。
7.如权利要求1所述的一种新型含有Co-P键的太阳能制氢材料在构建光催化分解水制氢上的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于将如权利要求1所述的黑磷纳米片/Co2P太阳能制氢材料分散在Na2S和Na2SO3水溶液中，在可见光或近红外光照射下可以分解水制备得到氢气。
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