CN111644192A - 一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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张金锋
李萧风
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Abstract

本发明公开了一种g‑C3N4@CdxZn1‑xSe复合光催化剂及其制备方法,包括如下步骤:(1)g‑C3N4纳米片的制备:将纯的块状g‑C3N4加入溶剂中,超声使其充分分散,然后经洗涤、离心和干燥即得到所述的g‑C3N4纳米片;(2)g‑C3N4@CdxZn1‑xSe复合光催化剂的制备:将步骤(1)中制备好的g‑C3N4纳米片超声分散到溶剂中,然后往上述溶液中依次加入镉盐、锌盐和硒类化合物,搅拌一段时间将悬浊液转移到到反应釜,水热反应后即制得所述复合光催化剂。本发明方法简单高效、成本低廉、易于工业化生产,本发明制备的复合光催化剂由于异质结的存在大大促进了光生载流子的分离,改善了催化剂表面产氢动力学,从显著提高了产氢性能,且具有优异循环稳定性。

Description

一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料技术领域,具体涉及一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
氢能作为一种清洁、可再生的能源,由于其可以解决能源危机和环境污染问题,已引起人们的广泛关注。对于各种产氢技术,使用半导体光催化剂分解水产氢被称为最有前景的途径。金属硫化物作为有吸引力的候选材料已被大量用于研究光催化。其中,CdxZn1-xS固溶体作为一种高效的光催化剂,由于其低成本、强的太阳光吸收率和良好的性能而备受关注。在CdxZn1-xS材料的基础上,我们成功合成了CdxZn1-xSe固溶体材料。然而,由于严重的载流子重组,单一CdxZn1-xSe的光催化产氢活性和稳定性都较差。因此,通过与其他抗光腐蚀的材料(如钛基光催化剂、氧化物和聚合物半导体)来构建异质结构,从而加快电荷转移和分离,提高光催化产氢活性和稳定性是进一步研究的重点方向。
g-C3N4是一种典型的层状聚合物半导体,由于其合适的带隙,化学稳定性和低毒性而被认为是可见光分解水的理想材料。然而,纯g-C3N4由于表面产氢动力学差,导致其光催化产氢效率低。根据上述的详细分析,发明人研究发现在g-C3N4和CdxZn1-xSe之间构建异质结构不仅可以大大促进光生载流子的分离,而且可以有效地减轻CdxZn1-xSe的光腐蚀问题。因此,设计一种简单高效低成本的制备方法来可控合成g-C3N4@CdxZn1-xSe异质结光催化材料进行高效地产氢,不仅在科学研究而且在工业化应用方面都变得十分重要。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂及其制备方法,并且本发明所制备得到的光催化剂材料催化活性高、稳定性好和适合工业化应用。
为了实现上述目的,本发明所采取的技术方案为:
一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备:将纯的块状g-C3N4加入溶剂中,超声使其充分分散,然后经洗涤、离心和干燥即得到所述的g-C3N4纳米片;
(2)g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备:将步骤(1)中制备好的g-C3N4纳米片超声分散到溶剂中,然后往上述溶液中依次加入镉盐、锌盐和硒类化合物,搅拌一段时间后加入反应釜,水热反应后将沉淀物洗涤、离心和干燥即制得g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂。
优选的,步骤(1)中所述块状g-C3N4的制备方法为:将原料胺类化合物研磨30~60分钟,然后将磨细后的胺类化合物置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至500~600度,并保温120~240分钟,之后经自然冷却后即得到所述的块状g-C3N4
优选的,所述胺类化合物为三聚氰胺、单氰胺、双氰胺、尿素或硫脲中的一种或多种。
优选的,步骤(1)中所述溶剂为去离子水和无水乙醇中的一种或两种;步骤(2)中所述溶剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、乙二胺、氨水、去离子水、乙二醇或水合肼中的一种或者多种。
优选的,步骤(1)和(2)中超声使用的仪器为超声机或者超声细胞破碎仪,步骤(1)中超声分散的时间为0.5~2小时,步骤(2)中超声的时间为1~5小时。
优选的,步骤(1)和(2)中的干燥方法为真空干燥或者冷冻干燥;洗涤使用的洗涤液为去离子水和无水乙醇中的一种或两种。
优选的,步骤(2)中所述镉盐为选自乙酸镉、氯化镉、硝酸镉中的一种或者多种;所述锌盐为选自氯化锌、乙酸锌、硫酸锌或硝酸锌中的一种或几种;所述硒类化合物为选自硒酸钠、溴化硒、亚硒酸钠、氯化硒或硒粉中的一种或者多种。
优选的,步骤(2)中的所用g-C3N4纳米片的质量为0.10~0.50g,溶剂的体积为20~40mL,镉盐的质量为0.092~0.365g,锌盐的质量为0.054~0.218g,硒类化合物的质量为0.346~0.692g。
优选的,步骤(2)中的水热反应为微波水热反应或者普通水热反应,反应的温度为140~200℃,反应时间为0.5~12小时。
另外,本发明还要求保护由上述制备方法制备得到的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂,其中,x表示摩尔量,其取值范围是0<x<1。
本发明还要求保护所述g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂在光解水产氢中的应用,具体方法为:以硫化钠和亚硫酸钠为牺牲剂,以二元的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合材料为光催化剂,在可见光照射下催化分解水产氢。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明提供的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂是先合成g-C3N4纳米片,然后将CdxZn1-xSe固溶体原位生长在g-C3N4纳米片上面,形成了异质结;这种材料结构稳定,对可见光有很强的吸收,比表面积大,光催化反应活性位点多,光催化产氢活性高;
(2)本发明g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂界面处形成的异质结能够传输电子,在光催化反应时能够有效地促进电子空穴对的分离,抑制其重组,大量的电子转移到材料表面进行还原反应,从而提高了复合光催化剂的活性;
(3)本发明是先合成g-C3N4纳米片,然后在其表面原位生长CdxZn1-xSe固溶体,该制备方法易于操作,反应条件温和,工艺简单,无需复杂的合成设备,具有广泛的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的场发射扫描电镜图像;从图中可以看出样品中是由纳米片和纳米花组成,并且具有一定的聚集,尺寸不规则;
图2为本发明实施例1制备的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的XRD图;从图中可以看出特征峰主要是CdxZn1-xSe固溶体的峰,并未发现明显g-C3N4的峰,可能是由于部分衍射峰位的重叠和在复合物中g-C3N4的含量较少;
图3为本发明实施例1制备的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的XPS全谱图;从图中可以看出复合物中所有元素的存在,并且在实验过程中并没有引入其他杂质元素。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚,以下结合实施例,对本发明作进一步的详细说明。当然,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明中的步骤虽然用标号进行了排列,但并不用于限定步骤的先后次序,除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础,否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解,本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
实施例1
一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备:将原料三聚氰胺研磨45分钟,然后将磨细后的三聚氰胺置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至550℃,并保温120分钟,之后经自然冷却后即得到所述块状g-C3N4;将上述纯块状g-C3N4加入无水乙醇中,并放入超声细胞破碎仪中分散40分钟,然后将沉淀物洗涤、离心和冷冻干燥即得到所述的g-C3N4纳米片;
(2)g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备:将0.05g步骤(1)中制备好的g-C3N4纳米片超声分散到含有15mL二乙烯三胺和25mL去离子水的混合溶剂中,然后往上述溶液中依次加入0.228g氯化镉、0.136g氯化锌和0.346g亚硒酸钠,搅拌600分钟后将悬浊液转移到微波反应釜,140度水热反应30分钟后将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤离心5次、离心和冷冻干燥即制得g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂。
另外,对本实施例的光催化剂进行性能评价,具体的可见光催化析氢的工艺为:将50mg所合成的催化剂放入含有0.25mol·L-1Na2SO3和0.35mol·L-1Na2S混合溶液的具有进气口和排气口的可透光的石英玻璃密封反应器中,然后超声处理45分钟。在可见光照射前,用N2去除反应系统的空气。反应器与光源之间的距离为20cm。通过气相色谱仪测量间歇采样产生气体的含量。经测定,本实施例光催化剂的可见光光催化析氢速率达到8652μmol·h-1·g-1
实施例2
一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备:将原料三聚氰胺研磨45分钟,然后将磨细后的三聚氰胺置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至550℃,并保温120分钟,之后经自然冷却后即得到所述块状g-C3N4;将上述纯块状g-C3N4加入无水乙醇中,并放入超声细胞破碎仪中分散40分钟,然后将沉淀物洗涤、离心和冷冻干燥即得到所述的g-C3N4纳米片;
(2)g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备:将0.05g步骤(1)中制备好的g-C3N4纳米片超声分散到含有15mL乙二胺和25mL去离子水的混合溶剂中,然后往上述溶液中依次加入0.228g氯化镉、0.136g乙酸锌和0.346g硒粉,搅拌600分钟后将悬浊液转移到微波反应釜,160度水热反应40分钟后将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤离心5次、离心和冷冻干燥即制得g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂。
对本实施例的光催化剂进行性能评价,具体的可见光催化析氢的工艺为:将50mg所合成的催化剂放入含有0.25mol·L-1Na2SO3和0.35mol·L-1Na2S混合溶液的具有进气口和排气口的可透光的石英玻璃密封反应器中,然后超声处理45分钟。在可见光照射前,用N2去除反应系统的空气。反应器与光源之间的距离为20cm。通过气相色谱仪测量间歇采样产生气体的含量。经测定,本实施例光催化剂的可见光光催化析氢速率达到8868μmol·h-1·g-1
实施例3
一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备:将原料三聚氰胺研磨45分钟,然后将磨细后的三聚氰胺置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至550℃,并保温120分钟,之后经自然冷却后即得到所述块状g-C3N4;将上述纯块状g-C3N4加入无水乙醇中,并放入超声细胞破碎仪中分散40分钟,然后将沉淀物洗涤、离心和冷冻干燥即得到所述的g-C3N4纳米片;
(2)g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备:将0.05g步骤(1)中制备好的g-C3N4纳米片超声分散到含有15mL乙二醇和25mL去离子水的混合溶剂中,然后往上述溶液中依次加入0.092g氯化镉、0.218g氯化锌和0.346g亚硒酸钠,搅拌600分钟后将悬浊液转移到普通反应釜,140度水热反应720分钟后将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤离心5次、离心和冷冻干燥即制得g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂。
对本实施例的光催化剂进行性能评价,具体的可见光催化析氢的工艺为:将50mg所合成的催化剂放入含有0.25mol·L-1Na2SO3和0.35mol·L-1Na2S混合溶液的具有进气口和排气口的可透光的石英玻璃密封反应器中,然后超声处理45分钟。在可见光照射前,用N2去除反应系统的空气。反应器与光源之间的距离为20cm。通过气相色谱仪测量间歇采样产生气体的含量。经测定,本实施例光催化剂的可见光光催化析氢速率达到8495μmol·h-1·g-1
实施例4
一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备:将原料三聚氰胺研磨45分钟,然后将磨细后的三聚氰胺置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至550℃,并保温120分钟,之后经自然冷却后即得到所述块状g-C3N4;将上述纯块状g-C3N4加入无水乙醇中,并放入超声细胞破碎仪中分散40分钟,然后将沉淀物洗涤、离心和冷冻干燥即得到所述的g-C3N4纳米片;
(2)g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备:将0.05g步骤(1)中制备好的g-C3N4纳米片超声分散到含有15mL乙二胺和25mL水合肼的混合溶剂中,然后往上述溶液中依次加入0.365g氯化镉、0.054g氯化锌和0.069g亚硒酸钠,搅拌600分钟后将悬浊液转移到普通反应釜,160度水热反应360分钟后将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤离心5次、离心和冷冻干燥即制得g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂。
对本实施例的光催化剂进行性能评价,具体的可见光催化析氢的工艺为:将50mg所合成的催化剂放入含有0.25mol·L-1Na2SO3和0.35mol·L-1Na2S混合溶液的具有进气口和排气口的可透光的石英玻璃密封反应器中,然后超声处理45分钟。在可见光照射前,用N2去除反应系统的空气。反应器与光源之间的距离为20cm。通过气相色谱仪测量间歇采样产生气体的含量。经测定,本实施例光催化剂的可见光光催化析氢速率达到9023μmol·h-1·g-1
实施例5
一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备:将原料三聚氰胺研磨45分钟,然后将磨细后的三聚氰胺置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至550℃,并保温120分钟,之后经自然冷却后即得到所述块状g-C3N4;将上述纯块状g-C3N4加入无水乙醇中,并放入超声细胞破碎仪中分散40分钟,然后将沉淀物洗涤、离心和冷冻干燥即得到所述的g-C3N4纳米片;
(2)g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备:将0.05g步骤(1)中制备好的g-C3N4纳米片超声分散到含有15mL乙二胺和25mL水合肼的混合溶剂中,然后往上述溶液中依次加入0.228g硝酸镉、0.136g乙酸锌和0.346g亚硒酸钠,搅拌600分钟后将悬浊液转移到普通反应釜,140度水热反应720分钟后将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤离心5次、离心和冷冻干燥即制得g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂。
对本实施例的光催化剂进行性能评价,具体的可见光催化析氢的工艺为:将50mg所合成的催化剂放入含有0.25mol·L-1Na2SO3和0.35mol·L-1Na2S混合溶液的具有进气口和排气口的可透光的石英玻璃密封反应器中,然后超声处理45分钟。在可见光照射前,用N2去除反应系统的空气。反应器与光源之间的距离为20cm。通过气相色谱仪测量间歇采样产生气体的含量。经测定,本实施例光催化剂的可见光光催化析氢速率达到8465μmol·h-1·g-1
以上所述仅为本发明的较佳实例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所在的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备:将纯的块状g-C3N4加入溶剂中,超声使其充分分散,然后经洗涤、离心和干燥即得到所述的g-C3N4纳米片;
(2)g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂的制备:将步骤(1)中制备好的g-C3N4纳米片超声分散到溶剂中,然后往上述溶液中依次加入镉盐、锌盐和硒类化合物,搅拌一段时间将悬浊液转移到反应釜中,水热反应后将沉淀物洗涤、离心和干燥即制得所述g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述块状g-C3N4的制备方法为:将原料胺类化合物研磨30~60分钟,然后将磨细后的胺类化合物置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至500~600度,并保温120~240分钟,之后经自然冷却后即得到所述的块状g-C3N4
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述胺类化合物为三聚氰胺、单氰胺、双氰胺、尿素或硫脲中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述溶剂为去离子水和无水乙醇中的一种或两种;步骤(2)中所述溶剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、乙二胺、氨水、去离子水、乙二醇或水合肼中的一种或者多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)和(2)中超声使用的仪器为超声机或者超声细胞破碎仪,步骤(1)中超声分散的时间为0.5~2小时,步骤(2)中超声的时间为1~5小时;步骤(1)和(2)中的干燥方法为真空干燥或者冷冻干燥;洗涤使用的洗涤液为去离子水和无水乙醇中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述镉盐为选自乙酸镉、氯化镉、硝酸镉中的一种或者多种;所述锌盐为选自氯化锌、乙酸锌、硫酸锌或硝酸锌中的一种或几种;所述硒类化合物为选自硒酸钠、溴化硒、亚硒酸钠、氯化硒或硒粉中的一种或者多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中的所用g-C3N4纳米片的质量为0.10~0.50g,溶剂的体积为20~40mL,镉盐的质量为0.092~0.365g,锌盐的质量为0.054~0.218g,硒类化合物的质量为0.346~0.692g。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中的水热反应为微波水热反应或者普通水热反应,反应的温度为140~200℃,反应时间为0.5~12小时。
9.一种由权利要求1-8所述制备方法制备得到的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂,其特征在于,x表示摩尔量,其取值范围是0<x<1。
10.一种权利要求9所述g-C3N4@CdxZn1-xSe复合光催化剂在光解水产氢中的应用,其特征在于,具体方法为:以硫化钠和亚硫酸钠为牺牲剂,以二元的g-C3N4@CdxZn1-xSe复合材料为光催化剂,在可见光照射下催化分解水产氢。
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