CN111468098A - 一种多孔类球形光催化材料及制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光催化技术，具体涉及一种多孔类球形光催化材料及制备方法及用途。以锡氧化物和氯化锌为前驱体，用氨水调节氯化锌溶液pH，经水热反应制得纳米颗粒堆积而成的多孔类球形ZnSn(OH)6。ZnSn(OH)6的光生空穴氧化晶格羟基在材料表面生成配位不饱和金属阳离子，金属缺陷位点吸附活化二氧化碳分子，提高二氧化碳还原产甲烷性能。本发明方法简单，实现无模板制备多孔类球形结构；能耗低，无需高温和还原性气氛即可构造金属缺陷位点；材料可循环再生，吸附水分子即可修复被消耗的晶格羟基。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光催化技术，具体涉及一种多孔类球形ZnSn(OH)6光催化材料及制备方法及用途。
背景技术
半导体光催化技术可在常温常压下直接利用太阳能将二氧化碳转化为碳氢燃料，为解决能源和环境问题提供了一种理想途径。ZnSn(OH)6因具有钙钛矿结构和d10-d10电子排布结构具有优异光催化性能，应用前景广阔。但要实现其高效催化转换二氧化碳，仍需解决二氧化碳分子热力学稳定的难题。
研究表明，光催化材料表面配位不饱和的金属阳离子具有孤对电子，能够吸附活化二氧化碳分子，从而降低反应能垒，提升二氧化碳还原效率。然而，引入配位不饱和金属阳离子通常需要高温和还原性气氛，能耗高。半导体在吸收光子能量后，会产生电子-空穴对，因光生空穴具有强氧化能力，能够腐蚀材料表面的晶格。本发明利用光生空穴氧化晶格羟基，在表面产生配位不饱和的金属阳离子，从而吸附活化二氧化碳分子，改善ZnSn(OH)6光催化还原二氧化碳性能。
进一步地，制备大比表面积的ZnSn(OH)6有利于暴露更多的晶格羟基，从而提供更多的活性位点。近年来，球形、空心结构、立方体、多面体的ZnSn(OH)6的合成方法日渐丰富，但均需加入有机溶剂或强碱。本发明提供了一种无需加入有机溶剂作为模板，用氨水调节pH，实现纳米颗粒自组装堆积制备多孔类球形结构ZnSn(OH)6光催化材料的合成方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微纳米级别、多孔类球形的ZnSn(OH)6材料，并提供有效的制备方法。
本发明制备的多孔类球形ZnSn(OH)6为纳米颗粒堆积结构，其方法具体包括以下步骤：
(1)以蒸馏水为溶剂，充分溶解氯化锌得到均匀溶液，用氨水调节氯化锌溶液pH为8～11；
(2)将锡氧化物分散于蒸馏水中，加入氯化锌溶液充分混合，控制锡离子和锌离子的摩尔比为1：1；
(3)将混合溶液转移至水热反应釜，放入烘箱中120～160℃反应2～12h。
(4)冷却至室温后取出，离心洗涤并干燥。
本发明的另一个目的是将上述ZnSn(OH)6颗粒用于光催化还原二氧化碳，利用光生空穴氧化晶格羟基在材料表面构建配位不饱和的金属阳离子，用于活化二氧化碳，改善还原效率。其特征在于包括以下步骤：
(1)称取0.1～1g制备得到的ZnSn(OH)6置于光催化反应装置中，抽真空除去含氧气态分子；
(2)用氙灯第一次辐照ZnSn(OH)6材料0.5～4h，在材料表面生成配位不饱和金属阳离子位点；
(3)再次抽真空后将高纯二氧化碳气体通入反应装置，直至压力为一个大气压；
(4)用氙灯第二次辐照ZnSn(OH)6催化还原二氧化碳。
本发明利用氨水调节pH合成多孔类球形ZnSn(OH)6，无需引入有机溶剂作为模板，可有效避免有机物残留；利用光生空穴氧化ZnSn(OH)6晶格羟基在材料表面生成配位不饱和金属阳离子，金属缺陷位点吸附活化二氧化碳分子，可有效提高二氧化碳还原产甲烷性能。
本发明方法简单，实现无模板制备多孔类球形结构；能耗低，无需高温和还原性气氛即可构造金属缺陷位点；材料可循环再生，吸附水分子即可修复被消耗的晶格羟基。
附图说明
图1为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料XRD图谱。
图2为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料SEM图片。
图3为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料BET曲线。
图4为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料用氙灯第一次辐照前后Sn 3d XPS图谱。
图5为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料产生配位不饱和金属位点后的CO2还原性能。
具体实施方式
实施例1
称取0.3g氯化锌溶于蒸馏水得到澄清溶液，加入氨水调节pH为9。称取0.6g锡酸钠分散于蒸馏水中，加入氯化锌溶液混合搅拌形成白色悬浊液，然后转移至50mL水热反应釜中，并置于烘箱中120℃反应6h，待冷却至室温后依次离心、用水洗涤后干燥即可得到白色粉末。
实施例2
本实施例与实施例1方法相同，区别仅在于用氨水调节pH为11。
实施例3
本实施例与实施例2方法相同，区别仅在于反应温度为160℃。
实施例4
本实施例与实施例3方法相同，区别仅在于反应时间为12h。
实施例5
本实施例与实施例4方法相同，区别仅在于所用的锡氧化物为氧化锡，称取质量为0.4g。
上述实施例中工艺参数的变化不会改变制得ZnSn(OH)6多孔类球形的形貌结构。
图1是本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料XRD图谱，所有的衍射峰均与标准卡片JCPDS#74-1825一一对应，为纯立方相ZnSn(OH)6材料。
图2为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料SEM图片，为多孔类球形结构，由纳米颗粒堆积而成，直径为1～2μm。
图3为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料BET曲线，为典型的多孔结构吸附特性，比表面积为19.8m2/g。
实施例6
称取0.1g制备的多孔类球形ZnSn(OH)6置于光催化反应装置中，抽真空除去含氧气态分子，用氙灯第一次辐照ZnSn(OH)6材料0.5h在材料表面生成配位不饱和金属阳离子，抽真空后将高纯二氧化碳通入光催化反应装置，使压力达到一个大气压，用氙灯第二次辐照ZnSn(OH)6进行二氧化碳还原反应。
实施例7
本实施例与实施例6方法相同，区别仅在于氙灯第一次辐照时间为1h。
实施例8
本实施例与实施例7方法相同，区别仅在于氙灯第一次辐照时间为2h。
图4为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料氙灯第一次光辐照前后Sn 3d XPS图谱。氙灯辐照前，材料表面Sn为+4价，氙灯辐照后，材料表面明显检测到配位不饱和金属位点Sn，用Snδ+表示。这说明本发明从技术上可行。
图5为本发明制备的ZnSn(OH)6光催化材料产生配位不饱和金属位点后的CO2还原性能。可以看出，在ZnSn(OH)6表面引入Snδ+有利于提高二氧化碳还原产甲烷性能。进一步地，上述实施例中，随着氙灯第一次辐照时间的增加，二氧化碳还原产甲烷性能依次增加。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种多孔类球形光催化材料，其特征在于，所述多孔类球形光催化材料为由纳米颗粒堆积而成的多孔类球形结构的ZnSn(OH)6光催化材料，呈现典型的多孔结构吸附特性。
2.如权利要求1所述的一种多孔类球形光催化材料，其特征在于，所述多孔类球形光催化材料的球形直径为1～2μm，比表面积为19.8m2/g。
3.如权利要求1所述的一种多孔类球形光催化材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)以蒸馏水为溶剂，充分溶解氯化锌得到均匀溶液，用氨水调节氯化锌溶液pH为8～11；
(2)将锡氧化物分散于蒸馏水中，加入氯化锌溶液充分混合，控制锡离子和锌离子的摩尔比为1：1；
(3)将混合溶液转移至水热反应釜，放入烘箱中120～160℃反应2～12h；
(4)冷却至室温后取出，离心洗涤并干燥。
4.如权利要求3所述的一种多孔类球形光催化材料的制备方法，其特征在于，所述锡氧化物为锡酸钠或氧化锡。
5.如权利要求1所述的一种多孔类球形光催化材料的用途，其特征在于，作为光催化剂催化还原二氧化碳。
6.如权利要求5所述的用途，其特征在于，称取0.1～1g制备得到的ZnSn(OH)6光催化材料置于光催化反应装置中，抽真空去除系统中的含氧气态分子；用氙灯第一次辐照ZnSn(OH)6光催化材料，在材料表面生成配位不饱和金属阳离子位点；再次抽真空后通入高纯二氧化碳气体；用氙灯第二次辐照ZnSn(OH)6光催化材料进行催化还原二氧化碳反应。
7.如权利要求6所述的用途，其特征在于，第一次辐照时间为0.5～4h，通入二氧化碳气体后，光催化反应装置内的压力为一个大气压。
8.如权利要求6所述的用途，其特征在于，ZnSn(OH)6的光生空穴氧化晶格羟基在材料表面生成配位不饱和金属阳离子位点，配位不饱和金属阳离子位点吸附活化二氧化碳分子，提高二氧化碳还原产甲烷性能。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200731 |
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