CN111495409A - 一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光催化产氢技术领域，且公开了一种杂原子掺杂型g‑C3N4‑MoS2异质结光催化材料，包括以下配方原料及组分：磷酸、三聚氰胺、Co(NO3)2、Na2MoO4、L‑半胱氨酸、石墨烯。该一种杂原子掺杂型g‑C3N4‑MoS2异质结光催化材料，多孔状的P掺杂g‑C3N4孔隙结构丰富，比表面积更大，可以与光辐射充分接触，多孔结构有利于光生电子和迁移和扩散，P掺杂改善了g‑C3N4的电子能带结构，使光吸收边发生红移，拓宽了g‑C3N4的可见光吸收范围，纳米Co掺杂MoS2均匀负载到氧化石墨烯中，抑制了纳米Co掺杂MoS2的团聚，Co掺杂降低了MoS2的内电阻，Co掺杂MoS2作为助催化剂与P掺杂g‑C3N4形成异质结结构，加速了g‑C3N4和MoS2各自的光生电子和空穴的分离，赋予了催化剂高效的光催化产氢性能。
Description
技术领域
本发明涉及光催化产氢技术领域，具体为一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料及其制法。
背景技术
随着化石能源储量日益减少带来的能源危机问题，以及过度燃烧化石燃料带来的环境污染问题日益严峻，开发绿色高效的可再生能源迫在眉睫，绿色可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能等，氢能是世界上最干净的二次能源，资源丰富，可持续发展，氢气的燃烧发热值高，燃烧性能优异，燃烧产物是水无污染，是最具发展潜力的清洁能源。
目前工业制取氢气的方法主要有化石燃料制氢、电解水制氢和生物质法制氢，其中光催化分解水产氢是一种新型高效的制氢方法，当光辐射在半导体材料上，辐射的能量大于半导体的禁带宽度时，半导体内光生电子受激发，从价带跃迁到导带，空穴留在价带，使光生电子和空穴发生分离，分别在半导体的不同位置将水还原成氢气以及氧化成氧气，实现光催化产氢，目前的光催化半导体产氢材料主要有钽酸盐、铌酸盐、钛酸盐和过渡金属硫化物等，石墨烯氮化碳g-C3N4的带隙较窄，在440-460nm可见光波段范围内具有良好的响应性，是一种极具发展潜力光催化产氢材料，但是g-C3N4光催化材料的光吸收范围很窄，并且电导率较低，光生电子和空穴的分离效率不高，大大降低了g-C3N4光催化材料的光化学活性和产氢效率，过渡金属硫化物如CdS、MoS2、ZnSeS具有良好的光响应性，其中纳米MoS2可以作为助催化剂与改善g-C3N4光催化半导体材料光化学活性，但是纳米MoS2在g-C3N4中容易团聚和结块，影响助催化性能。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料及其制法，解决了g-C3N4光催化材料的光吸收范围较窄，电导率较低，光生电子和空穴的分离效率不高的问题，同时解决了纳米MoS2在g-C3N4中容易团聚和结块。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，包括以下配方原料及组分：磷酸、三聚氰胺、Co(NO3)2、Na2MoO4、L-半胱氨酸、石墨烯。
优选的，所述杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水和甲醇混合溶剂，两者体积比为1:2-4，加入磷酸和三聚氰胺，置于恒温水浴锅中加热至50-80℃，匀速搅拌反应4-8h，再加入盐酸调节溶液pH至4-5，将溶液真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为5-10℃/min，升温至520-550℃煅烧2-4h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4。
(2)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，将反应瓶置于恒温水浴锅中加热至40-60℃，匀速搅拌12-18h，再加入Na2MoO4搅拌溶解后，将溶液转移进高压反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至180-220℃，反应25-35h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，两者体积比为1:1.5-2.5，再加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯和多孔P掺杂g-C3N4，搅拌均匀后将溶液超声处理6-10h，进行分散和剥离过程，将溶液真空干燥除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料。
优选的，所述步骤(1)中的磷酸和三聚氰胺的质量比为1:6-12。
优选的，所述恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接，
优选的，所述步骤(2)氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为3.5-4.5:1-2:90-120:45。
优选的，所述步骤(3)纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯和多孔P掺杂g-C3N4的质量比为1-6:94-99。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，以少量的磷酸作为掺杂剂与部分三聚氰胺聚反应，生成三聚氰胺磷酸盐，使磷酸均匀地分散在三聚氰胺的基体中，再加入盐酸作为致孔剂，与三聚氰胺反应生成三聚氰胺盐酸盐，通过高温热裂解生产多孔状的P掺杂g-C3N4，其相比于普通的g-C3N4，其孔隙结构丰富，比表面积更大，可以与光辐射充分接触，提供更多的光化学活性位点，提高催化剂对光能的利用率，并且其多孔结构有利于光生电子和迁移和扩散，促进光生电子和空穴的分离，同时P掺杂改善了g-C3N4的电子能带结构，使光吸收边发生红移，拓宽了g-C3N4的可见光吸收范围，进一步增强催化剂对光能的利用。
该一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，以氧化石墨烯为基底，通过高压水热法制备得到纳米Co掺杂MoS2均匀负载到氧化石墨烯巨大的比表面和丰富的片层结构中，通过超声剥离法，制备得到Co掺杂MoS2负氧化石墨烯修饰g-C3N4复合催化剂，明显抑制了纳米Co掺杂MoS2的团聚和结块的现象，Co掺杂取代了MoS2中部分Mo的晶格，降低了MoS2的内电阻，导电性良好的Co掺杂MoS2和氧化石墨烯与P掺杂g-C3N4形成三维导电网络，增强了g-C3N4半导体材料的导电性能，并且氧化石墨烯可以作为电子受体，促进光生电子向氧化石墨烯迁移，在协同作用下加速了光生电子和空穴的分离，增强了催化剂的光催化活性和产氢性能。
该一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，Co掺杂MoS2作为助催化剂与P掺杂g-C3N4形成异质结结构，在可见光光照下，两者都产生光生电子和空穴，MoS2的导带和价带低与g-C3N4，使g-C3N4的光生电子向MoS2的导带上迁移，而MoS2价带上的空穴向g-C3N4的价带上迁移，从而加速了g-C3N4和MoS2各自的光生电子和空穴的分离，使MoS2导带产生大量的光生电子，g-C3N4价带产生大量的空穴，分别将水还原成氢气以及氧化成氧气，高效率的光催化产氢，在催化剂浓度为0.6g/L使，光催化产氢速率可达到55.4-59.2μmol/h。
附图说明
图1是锅体正面示意图；
图2是载物台放大示意图；
图3是载物台调节示意图。
1、锅体；2、保温内胆；3、加热圈；4、插块；5、顶盖；6、底座；7、磁力搅拌器；8、导轨；9、导轮；10、载物台；11、反应瓶；12、卡槽；13、限位块。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，包括以下配方原料及组分：磷酸、三聚氰胺、Co(NO3)2、Na2MoO4、L-半胱氨酸、石墨烯。
杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水和甲醇混合溶剂，两者体积比为1:2-4，加入磷酸和三聚氰胺，两者质量比为1:6-12，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接，加热至50-80℃，匀速搅拌反应4-8h，再加入盐酸调节溶液pH至4-5，将溶液真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为5-10℃/min，升温至520-550℃煅烧2-4h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4。
(2)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，将反应瓶置于恒温水浴锅中加热至40-60℃，匀速搅拌12-18h，再加入Na2MoO4搅拌溶解后，其中氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为3.5-4.5:1-2:90-120:45，将溶液转移进高压反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至180-220℃，反应25-35h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，两者体积比为1:1.5-2.5，再加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯和多孔P掺杂g-C3N4，两者质量比为1-6:94-99，搅拌均匀后将溶液超声处理6-10h，进行分散和剥离过程，将溶液真空干燥除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料。
向反应器中加入质量分数为3％的H2PtCl6的蒸馏水溶液和10mL牺牲剂三乙醇胺，再加入杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，以500W氙灯作为光源，加入滤波片过滤紫外光，通过气相色谱记录氢气含量。
实施例1
(1)制备多孔P掺杂g-C3N4组分1：向反应瓶中加入蒸馏水和甲醇混合溶剂，两者体积比为1:2，加入磷酸和三聚氰胺，两者质量比为1:6，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接，加热至50℃，匀速搅拌反应4h，再加入盐酸调节溶液pH至5，将溶液真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为5℃/min，升温至520℃煅烧2h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4组分1。
(2)制备纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分1：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，将反应瓶置于恒温水浴锅中加热至40℃，匀速搅拌12h，再加入Na2MoO4搅拌溶解后，其中氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为3.5:1:90:45，将溶液转移进高压反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至180℃，反应25h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分1。
(3)制备杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料1：向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，两者体积比为1:1.5，再加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分1和多孔P掺杂g-C3N4组分1，两者质量比为1:99，搅拌均匀后将溶液超声处理6h，进行分散和剥离过程，将溶液真空干燥除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料1。
实施例2
(1)制备多孔P掺杂g-C3N4组分2：向反应瓶中加入蒸馏水和甲醇混合溶剂，两者体积比为1:2，加入磷酸和三聚氰胺，两者质量比为1:12，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接，加热至50℃，匀速搅拌反应8h，再加入盐酸调节溶液pH至5，将溶液真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为10℃/min，升温至520℃煅烧4h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4组分2。
(2)制备纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分2：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，将反应瓶置于恒温水浴锅中加热至40℃，匀速搅拌12h，再加入Na2MoO4搅拌溶解后，其中氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为4.5:1.2:120:45，将溶液转移进高压反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至180℃，反应35h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分2。
(3)制备杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料2：向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，两者体积比为1:1.5，再加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分2和多孔P掺杂g-C3N4组分2，两者质量比为2:98，搅拌均匀后将溶液超声处理10h，进行分散和剥离过程，将溶液真空干燥除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料2。
实施例3
(1)制备多孔P掺杂g-C3N4组分3：向反应瓶中加入蒸馏水和甲醇混合溶剂，两者体积比为1:3，加入磷酸和三聚氰胺，两者质量比为1:9，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接，加热至65℃，匀速搅拌反应6h，再加入盐酸调节溶液pH至5，将溶液真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为8℃/min，升温至535℃煅烧3h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4组分3。
(2)制备纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分3：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，将反应瓶置于恒温水浴锅中加热至50℃，匀速搅拌15h，再加入Na2MoO4搅拌溶解后，其中氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为4:1.5:110:45，将溶液转移进高压反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至200℃，反应30h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分3。
(3)制备杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料3：向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，两者体积比为1:2，再加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分3和多孔P掺杂g-C3N4组分3，两者质量比为2:98，搅拌均匀后将溶液超声处理8h，进行分散和剥离过程，将溶液真空干燥除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料3。
实施例4
(1)制备多孔P掺杂g-C3N4组分4：向反应瓶中加入蒸馏水和甲醇混合溶剂，两者体积比为1:3，加入磷酸和三聚氰胺，两者质量比为1:8，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接，加热至65℃，匀速搅拌反应6h，再加入盐酸调节溶液pH至5，将溶液真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为5℃/min，升温至550℃煅烧2h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4组分4。
(2)制备纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分4：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，将反应瓶置于恒温水浴锅中加热至60℃，匀速搅拌12h，再加入Na2MoO4搅拌溶解后，其中氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为4.5:1.7:90:45，将溶液转移进高压反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至180℃，反应35h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分4。
(3)制备杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料4：向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，两者体积比为1:2.5，再加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分4和多孔P掺杂g-C3N4组分4，两者质量比为4:96，搅拌均匀后将溶液超声处理10h，进行分散和剥离过程，将溶液真空干燥除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料4。
实施例5
(1)制备多孔P掺杂g-C3N4组分5：向反应瓶中加入蒸馏水和甲醇混合溶剂，两者体积比为1:4，加入磷酸和三聚氰胺，两者质量比为1:12，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接，加热至80℃，匀速搅拌反应8h，再加入盐酸调节溶液pH至4，将溶液真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为10℃/min，升温至550℃煅烧4h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4组分5。
(2)制备纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分5：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，将反应瓶置于恒温水浴锅中加热至60℃，匀速搅拌18h，再加入Na2MoO4搅拌溶解后，其中氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为4.5:2:120:45，将溶液转移进高压反应釜中，并置于反应釜加热箱中，加热至220℃，反应35h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分5。
(3)制备杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料5：向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，两者体积比为1:2.5，再加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯组分5和多孔P掺杂g-C3N4组分5，两者质量比为6:94，搅拌均匀后将溶液超声处理10h，进行分散和剥离过程，将溶液真空干燥除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料5。
向反应器中加入质量分数为3％的H2PtCl6的蒸馏水溶液和10mL牺牲剂三乙醇胺，分别加入实施例1-5制得的的杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料1-5，控制光催化材料的浓度，以500W氙灯作为光源，加入滤波片过滤紫外光，通过气相色谱记录氢气含量，并计算产氢速率。
综上所述，该一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，以少量的磷酸作为掺杂剂与部分三聚氰胺聚反应，生成三聚氰胺磷酸盐，使磷酸均匀地分散在三聚氰胺的基体中，再加入盐酸作为致孔剂，与三聚氰胺反应生成三聚氰胺盐酸盐，通过高温热裂解生产多孔状的P掺杂g-C3N4，其相比于普通的g-C3N4，其孔隙结构丰富，比表面积更大，可以与光辐射充分接触，提供更多的光化学活性位点，提高催化剂对光能的利用率，并且其多孔结构有利于光生电子和迁移和扩散，促进光生电子和空穴的分离，同时P掺杂改善了g-C3N4的电子能带结构，使光吸收边发生红移，拓宽了g-C3N4的可见光吸收范围，进一步增强催化剂对光能的利用。
以氧化石墨烯为基底，通过高压水热法制备得到纳米Co掺杂MoS2均匀负载到氧化石墨烯巨大的比表面和丰富的片层结构中，通过超声剥离法，制备得到Co掺杂MoS2负氧化石墨烯修饰g-C3N4复合催化剂，明显抑制了纳米Co掺杂MoS2的团聚和结块的现象，Co掺杂取代了MoS2中部分Mo的晶格，降低了MoS2的内电阻，导电性良好的Co掺杂MoS2和氧化石墨烯与P掺杂g-C3N4形成三维导电网络，增强了g-C3N4半导体材料的导电性能，并且氧化石墨烯可以作为电子受体，促进光生电子向氧化石墨烯迁移，在协同作用下加速了光生电子和空穴的分离，增强了催化剂的光催化活性和产氢性能。
Co掺杂MoS2作为助催化剂与P掺杂g-C3N4形成异质结结构，在可见光光照下，两者都产生光生电子和空穴，MoS2的导带和价带低与g-C3N4，使g-C3N4的光生电子向MoS2的导带上迁移，而MoS2价带上的空穴向g-C3N4的价带上迁移，从而加速了g-C3N4和MoS2各自的光生电子和空穴的分离，使MoS2导带产生大量的光生电子，g-C3N4价带产生大量的空穴，分别将水还原成氢气以及氧化成氧气，高效率的光催化产氢，在催化剂浓度为0.6g/L使，光催化产氢速率可达到55.4-59.2μmol/h。
Claims (6)
1.一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，包括以下配方原料及组分，其特征在于：磷酸、三聚氰胺、Co(NO3)2、Na2MoO4、L-半胱氨酸、石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，其特征在于：所述杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料制备方法包括以下步骤：
（1）向体积比为1:2-4的蒸馏水和甲醇混合溶剂中，加入磷酸和三聚氰胺，置于恒温水浴锅中加热至50-80 ℃，反应4-8 h，再加入盐酸调节溶液pH至4-5，真空干燥除去溶剂，混合固体产物置于置于电阻炉中，升温速率为5-10 ℃/min，升温至520-550 ℃煅烧2-4 h，煅烧产物即为多孔P掺杂g-C3N4；
（2）向蒸馏水溶剂中加入氧化石墨烯、超声分散均匀后加入Co(NO3)2和L-半胱氨酸，加热至40-60 ℃，匀速搅拌12-18 h，再加入Na2MoO4并将溶液转移进反应釜中，加热至180-220℃，反应25-35 h，过滤、洗涤并干燥，制备得到纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯；
（3）向体积比为1:1.5-2.5的蒸馏水和乙醇混合溶剂中，加入纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯和多孔P掺杂g-C3N4，搅拌均匀后将溶液超声处理6-10 h，进行分散和剥离过程，除去溶剂并干燥，制备得到杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料。
3.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，其特征在于：所述步骤（1）中的磷酸和三聚氰胺的质量比为1:6-12。
4.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，其特征在于：所述恒温水浴锅包括锅体、锅体内部固定连接有保温内胆、保温内胆的内部与加热圈固定连接，保温内胆上方活动连接有插块、插块与顶盖固定连接，保温内胆内部上方固定连接有底座，底座内设置有磁力搅拌器，底座内壁两侧固定连接有导轨，导轨与导轮活动连接，导轮活动连接有载物台、载物台的上方盛放有反应瓶，载物台的上表面设置有卡槽、卡槽与限位块活动连接。
5.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，其特征在于：所述步骤（2）氧化石墨烯、Co(NO3)2、L-半胱氨酸和Na2MoO4的质量比为3.5-4.5:1-2:90-120:45。
6.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂型g-C3N4-MoS2异质结光催化材料，其特征在于：所述步骤（3）纳米Co掺杂MoS2修饰石墨烯和多孔P掺杂g-C3N4的质量比为1-6:94-99。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114100662A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-01 | 齐齐哈尔大学 | 3d花状z型异质结催化剂及其制备方法与应用 |
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