CN112473638A - 钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂及其在光催化水分解制氢中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂及其在光催化水分解制氢中的应用。将催化剂超声分散于三乙醇胺水溶液中，向溶液中通入氮气除去氧气，太阳光下进行催化反应；所述催化剂为钌掺杂超薄TiO2纳米片。本发明在通过水热反应法制备超薄TiO2纳米片的过程中将钌离子掺杂到纳米片片层结构中，得到了一种高稳定性、高活性的光催化剂Ru‑TiO2。该催化剂可以实现在太阳光下高效催化水分解制氢。
Description
技术领域
本发明属于催化制氢领域，尤其涉及钌掺杂超薄TiO2纳米片在光催化水分解制氢反应中的应用。
背景技术
太阳能作为一种可持续、清洁的能源，同时，氢能被认为是最有前途和最环保的能源之一，因此充分利用太阳光分解水制氢，引起了人们的极大兴趣。近年来，为了开发新型的半导体光催化剂来获取太阳能，用于光催化水的裂解，人们进行了大量的研究。自1972年Fujishima和Honda首次报道以TiO2为光阳极光电催化水分解放氢以来，利用半导体光催化剂将太阳能转化为氢能被认为是一种有效且有前景的清洁能源生产方法。利用不同方法改性的TiO2被广泛用于催化领域研究中，如何获得活性高、制备工艺简单的催化材料是目前研发的重点。
发明内容
本发明的目的是利用水热反应将金属钌掺杂到超薄TiO2纳米片片层结构中，得到一种新型材料。该材料在催化水分解制氢中具有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，制备方法包括如下步骤：将适量钛酸四丁酯、氢氟酸和钌盐加入到无水乙醇中，室温搅拌30分钟后，转移至水热釜中，进行水热反应，离心，固体用蒸馏水洗涤，真空干燥，得目标产物。
进一步的，上述的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，所述钌盐为RuCl3。
进一步的，上述的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，按物质的量之比，Ru:Ti＝8:92。
进一步的，上述的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，所述水热反应的条件为180℃加热2-3h。
本发明提供的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂作为催化剂在光催化水分解制氢中的应用。
进一步的，方法如下：将钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂超声分散于溶有牺牲剂的水溶液中，向溶液中通入氮气除去氧气，太阳光下进行催化反应。
进一步的，所述牺牲剂为三乙醇胺。
进一步的，所述三乙醇胺浓度为1M。
本发明的有益效果是：本发明利用简单的水热反应通过原位合成将钌掺杂到超薄TiO2纳米片片层结构中，制备得到了一种具有良好光催化活性的催化剂Ru-TiO2，该催化剂可以实现在太阳光下高效催化水分解制氢。
附图说明
图1是超薄TiO2纳米片和钌掺杂超薄TiO2纳米片Ru-TiO2的固体紫外-可见漫反射光谱图。
图2是钌掺杂超薄TiO2纳米片Ru-TiO2的透射电子显微镜图(a)和高分辨透射电子显微镜图(b)。
图3是太阳光下钌掺杂超薄TiO2纳米片Ru-TiO2催化水分解制氢示意图。
图4是TiO2、Ru-TiO2催化水分解产氢对比图。
具体实施方式
实施例1
(一)钌掺杂超薄TiO2纳米片(Ru-TiO2)制备方法如下：
在40mL无水乙醇中加入10mL钛酸四丁酯，1.2mL HF及500mg RuCl3，室温搅拌30min后，转移至水热釜中，180℃加热2h，离心，固体用蒸馏水反复洗涤，最后60℃真空干燥24h，得钌掺杂超薄TiO2纳米片，记为Ru-TiO2。
(二)超薄TiO2纳米片的制备方法如下
在40mL无水乙醇中加入10mL钛酸四丁酯和1.2mL HF，搅拌30min，转移至水热釜中，180℃加热2h，离心，固体用蒸馏水反复洗涤，最后，60℃真空干燥24h，得超薄TiO2纳米片。
(三)检测结果
利用X-射线光电子能谱分析确定所制备的Ru-TiO2中Ru与Ti物质的量之比为8:92。
图1是超薄TiO2纳米片和钌掺杂超薄TiO2纳米片Ru-TiO2的固体紫外-可见漫反射光谱。通过对比Ru-TiO2纳米片和TiO2纳米片的光谱图可以确定，钌的掺杂可以有效拓宽TiO2纳米片对可见光的吸收范围，覆盖全部可见区。
图2是Ru-TiO2的透射电子显微镜图(a)和高分辨透射电子显微镜图(b)。由图可以看出，钌掺杂的TiO2纳米片为超薄型纳米片，出现在二氧化钛纳米片的晶格条纹之间的距离约为0.235nm，对应于锐钛矿型TiO2的(001)晶面，纳米片厚度约为2-4nm。
实施例2钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂催化水分解制氢
方法如下：该反应在石英反应器中进行，以300W氙灯作为光源模拟太阳光。将催化剂Ru-TiO2(50mg)超声分散于100mL浓度为1M三乙醇胺的水溶液中，向反应体系中通入高纯氮气30分钟以除去氧气，然后在太阳光照射下反应6h。在反应过程中采用气相色谱法每1小时检测一次生成氢气的量。参比实验中，以TiO2代替Ru-TiO2作为催化剂。
图3是太阳光下钌掺杂超薄TiO2纳米片Ru-TiO2催化水分解制氢示意图。实验结果如图4所示，当TiO2作催化剂时，6h产氢量仅为0.2mmol·g-1；而Ru-TiO2作催化剂时，催化活性显著提高，产氢量随着反应时间的增加线性上升，反应6h未见活性衰减，6h产氢总量高达42.1mmol·g-1，少量Ru的引入使TiO2纳米片催化水分解放氢活性提高了200倍。该材料催化活性高、稳定性好、制备方法简单，在光催化水分解制氢领域具有良好的应用前景。
Claims (8)
1.钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，其特征在于，制备方法包括如下步骤：将适量钛酸四丁酯、氢氟酸和钌盐加入到无水乙醇中，室温搅拌30分钟后，转移至水热釜中，进行水热反应，离心，固体用蒸馏水洗涤，真空干燥，得目标产物。
2.根据权利要求1所述的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，其特征在于，所述钌盐为RuCl3。
3.根据权利要求2所述的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，其特征在于，按物质的量之比，Ru:Ti＝8:92。
4.根据权利要求1或2或3所述的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂，其特征在于，所述水热反应的条件为180℃加热2-3h。
5.权利要求1所述的钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂作为催化剂在光催化水分解制氢中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，方法如下：将钌掺杂超薄TiO2纳米片光催化剂超声分散于溶有牺牲剂的水溶液中，向溶液中通入氮气除去氧气，太阳光下进行催化反应。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述牺牲剂为三乙醇胺。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述三乙醇胺浓度为1M。
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