CN112569999A - 一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料及制法 - Google Patents

一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料及制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及掺杂光催化产氢领域,且公开了一种花球状N掺杂SnO2负载g‑C3N4的光催化产氢材料,SnO2在水热过程中晶核逐渐生长,在聚乙烯吡咯烷酮作用下,晶核表面形成了小块凸起的纳米粉体,N掺杂SnO2后样品形貌发生改变,最终生长为纳米花球状N掺杂SnO2,空心管状纳米g‑C3N4在与其水热过程中,纳米花球状N掺杂SnO2先在空心管状纳米g‑C3N4表面粗糙的位置生长,当光催化材料受到辐射,光生电子会从空心管状纳米g‑C3N4的价带跃迁,留下空穴,产生光生电子和空穴,两者形成异质结结构并为光生电子提供传输通道,使光生电子和空穴的快速分离,光生电子迁移到空心管状纳米g‑C3N4表面发生反应将氢离子还原成氢气,从而提高产氢效率。

Description

一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料及制法
技术领域
本发明涉及掺杂光催化产氢领域,具体为一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料及制法。
背景技术
相对于其他氢气制取方法,光催化水解产氢具有非常明显的优势,水分解产生氢气,且氢气燃烧后终产物是水,形成一种环保的良性循环,因此,光催化水解产氢是一种满足环境和经济双方面发展的新途径,而杂原子掺杂二氧化锡使得其电阻率降低,对可见光的透射率提高,这些特性使得掺杂二氧化锡材料在发光二极管、平板显示器等方面应用十分广泛,虽然纳米二氧化锡合成方法多样,操作简单,但在产氢性能尤其是掺杂二氧化锡的产氢性能研究相对较少,因此二氧化锡半导体功能材料制备和产氢性能的研究需要更加广泛。
石墨烯氮化碳g-C3N4是一种用途广泛的非金属半导体,具有十分良好的耐酸、耐碱、稳定性、和光催化等性能,这些性能使得g-C3N4具有十分巨大的潜在研究价值,目前已广泛应用于助催化剂、有机物选择性合成、光催化等方面,除此之外,g-C3N4还具有在可见光驱动下稳定有效地光解水产氢的性能,但是普通的g-C3N4可见光利用率低、比表面积较小,很大程度上影响了光催化水解产氢性能,同时g-C3N4的光生电子和空穴很容易复合,进一步影响了其光催化活性。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种高效的花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料及制法,解决了g-C3N4光催化剂比表面积较小,光生电子和空穴容易复合,光催化分解水产氢性能较差的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,所述花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料制备方法包括以下步骤:
(1)向反应瓶中加入去离子水为溶剂中,再加入四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢溶液、浓氨水,边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮,放入反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热到170-190℃,反应18-30h,产物洗涤、抽滤并烘干,得到纳米花球状N掺杂SnO2
(2)向反应瓶中加入三聚氰胺和碳酸氢铵的粉末并均匀混合,置于管式炉内,在氮气氛围中加热至550-650℃,保持3-6h,得到空心管状纳米g-C3N4
(3)向反应瓶中加入乙醇和水的混合溶剂,再加入纳米花球状N掺杂SnO2和空心管状纳米g-C3N4,搅拌并分散后置于水热反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热至140-160℃,反应3-6h,冷却后洗涤、离心并烘干,煅烧300-350℃,得到花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料。
优选的,所述步骤(1)中的电热鼓风干燥箱装置包括电机,电机与导轮固定连接,导轮活动连接有转轮,转轮与鼓风扇固定连接,电热鼓风干燥箱内部设置有加热器,电热鼓风干燥箱表面设置有显示器和开关。
优选的,所述步骤(1)中的四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢、浓氨水、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100:90-110:80-100:15-30:310-390。
优选的,所述步骤(2)中三聚氰胺和碳酸氢铵的质量比为3:0.8-1.2。
优选的,所述步骤(3)中的纳米花球状N掺杂SnO2、空心管状纳米g-C3N4的质量比为10:10-15。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比,本发明具备以下实验原理和有益技术效果:
该一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,在水热反应开始阶段,前驱液中形成沉淀,并开始晶核生长过程,在聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂的作用下,晶核表面形成了小块凸起、尺寸较小、分散性良好的纳米粉体,随着反应继续进行,晶体会优先向结核能较低的晶面生长,最终凝结核生长为纳米花球状N掺杂SnO2,N掺杂SnO2后样品形貌发生改变,提高了SnO2结晶度,形成了具有独特的纳米花球形貌和更高的比表面积。
该一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,三聚氰胺与碳酸氢铵混合后,碳酸氢铵表面会附着三聚氰胺,随温度升高,碳酸氢铵分解释放大量氨气,诱导g-C3N4形成纳米管结构,空心管状纳米g-C3N4在与纳米花球状N掺杂SnO2水热反应过程中,在高温高压条件下,纳米花球状N掺杂SnO2会优先在空心管状纳米g-C3N4表面相对粗糙的位置生长成核并逐渐长大,有效避免了纳米花球状N掺杂SnO2团聚的现象。
该一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,当光催化材料受到高能量的光照射时,光生电子会从空心管状纳米g-C3N4的价带跃迁到导带,而留下空穴在价带中,产生光生电子和空穴,由于花球状N掺杂SnO2和管状纳米g-C3N4的能带相匹配,两者形成异质结结构,异质结结构为光生电子提供传输通道,从而使大部分光生电子通过异质结转移至花球状N掺杂SnO2的导带中,实现光生电子和空穴的快速分离,显著减少了光生载流子的重组和复合,光生电子迁移到半导体表面发生还原反应将氢离子还原成氢气,从而表现出优异的光催化分解水产氢活性和产氢效率。
附图说明
图1是电热鼓风干燥箱装置结构示意图;
图2是转轮放大示意图。
1-鼓风干燥箱;2-电机;3-导轮;4-转轮;5-鼓风扇;6-加热器;7-显示器;8-开关。
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:一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,制备方法包括以下步骤:
实施例1
(1)向反应瓶中加入去离子水为溶剂中,再加入四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢溶液、浓氨水,边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮,四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢、浓氨水、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100:90:80:15:310,放入反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热到170℃,反应18h,产物洗涤、抽滤并烘干,得到纳米花球状N掺杂SnO2
(2)向反应瓶中加入三聚氰胺和碳酸氢铵的粉末并均匀混合,三聚氰胺和碳酸氢铵的质量比为3:0.8,置于管式炉内,在氮气氛围中加热至550℃,保持3h,得到空心管状纳米g-C3N4
(3)向反应瓶中加入乙醇和水的混合溶剂,再加入纳米花球状N掺杂SnO2和空心管状纳米g-C3N4,纳米花球状N掺杂SnO2、空心管状纳米g-C3N4的质量比为10:10,搅拌并分散后置于水热反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热至140℃,反应3h,冷却后洗涤、离心并烘干,煅烧300℃,得到花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料。
实施例2
(1)向反应瓶中加入去离子水为溶剂中,再加入四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢溶液、浓氨水,边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮,四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢、浓氨水、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100:100:90:20:350,放入反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热到180℃,反应20h,产物洗涤、抽滤并烘干,得到纳米花球状N掺杂SnO2
(2)向反应瓶中加入三聚氰胺和碳酸氢铵的粉末并均匀混合,三聚氰胺和碳酸氢铵的质量比为3:1,置于管式炉内,在氮气氛围中加热至600℃,保持4h,得到空心管状纳米g-C3N4
(3)向反应瓶中加入乙醇和水的混合溶剂,再加入纳米花球状N掺杂SnO2和空心管状纳米g-C3N4,纳米花球状N掺杂SnO2、空心管状纳米g-C3N4的质量比为10:12,搅拌并分散后置于水热反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热至150℃,反应4h,冷却后洗涤、离心并烘干,煅烧320℃,得到花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料。
实施例3
(1)向反应瓶中加入去离子水为溶剂中,再加入四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢溶液、浓氨水,边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮,四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢、浓氨水、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100:110:100:30:390,放入反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热到190℃,反应30h,产物洗涤、抽滤并烘干,得到纳米花球状N掺杂SnO2
(2)向反应瓶中加入三聚氰胺和碳酸氢铵的粉末并均匀混合,三聚氰胺和碳酸氢铵的质量比为3:1.2,置于管式炉内,在氮气氛围中加热至650℃,保持6h,得到空心管状纳米g-C3N4
(3)向反应瓶中加入乙醇和水的混合溶剂,再加入纳米花球状N掺杂SnO2和空心管状纳米g-C3N4,纳米花球状N掺杂SnO2、空心管状纳米g-C3N4的质量比为10:15,搅拌并分散后置于水热反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热至160℃,反应6h,冷却后洗涤、离心并烘干,煅烧350℃,得到花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料。
对比例1
(1)向反应瓶中加入去离子水为溶剂中,再加入四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢溶液、浓氨水,边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮,四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢、浓氨水、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100:70:60:5:270,放入反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热到160℃,反应16h,产物洗涤、抽滤并烘干,得到纳米花球状N掺杂SnO2
(2)向反应瓶中加入三聚氰胺和碳酸氢铵的粉末并均匀混合,三聚氰胺和碳酸氢铵的质量比为3:0.6,置于管式炉内,在氮气氛围中加热至520℃,保持2h,得到空心管状纳米g-C3N4
(3)向反应瓶中加入乙醇和水的混合溶剂,再加入纳米花球状N掺杂SnO2和空心管状纳米g-C3N4,纳米花球状N掺杂SnO2、空心管状纳米g-C3N4的质量比为10:8,搅拌并分散后置于水热反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热至130℃,反应2h,冷却后洗涤、离心并烘干,煅烧300℃,得到花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料。
对比例2
(1)向反应瓶中加入去离子水为溶剂中,再加入四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢溶液、浓氨水,边搅拌边加入聚乙烯吡咯烷酮,四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢、浓氨水、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100:120:110:35:440,放入反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热到200℃,反应32h,产物洗涤、抽滤并烘干,得到纳米花球状N掺杂SnO2
(2)向反应瓶中加入三聚氰胺和碳酸氢铵的粉末并均匀混合,三聚氰胺和碳酸氢铵的质量比为3:1.5,置于管式炉内,在氮气氛围中加热至600℃,保持7h,得到空心管状纳米g-C3N4
(3)向反应瓶中加入乙醇和水的混合溶剂,再加入纳米花球状N掺杂SnO2和空心管状纳米g-C3N4,纳米花球状N掺杂SnO2、空心管状纳米g-C3N4的质量比为10:18,搅拌并分散后置于水热反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热至180℃,反应8h,冷却后洗涤、离心并烘干,煅烧400℃,得到花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料。
向去离子水中加入0.2g的花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,再加入助催化剂六氯合铂酸和牺牲剂三乙醇胺,选择光源为300W氙灯,进入420nm滤光片,进行光催化产氢过程,使用GC-MS 6800质谱联用仪测试花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料的产氢速率,测试标准为GB/T 26915-2011。
Figure BDA0002829042030000071

Claims (5)

1.一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,其特征在于:所述花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料制备方法包括以下步骤:
(1)向去离子水中溶剂中加入四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢溶液、浓氨水,搅拌后加入聚乙烯吡咯烷酮,放入反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热到170-190℃,反应18-30h,产物洗涤、抽滤并烘干,得到纳米花球状N掺杂SnO2
(2)将三聚氰胺和碳酸氢铵的粉末均匀混合,放入反应瓶中并置于管式炉内,在氮气氛围中加热至550-650℃,保持3-6h,得到空心管状纳米g-C3N4
(3)向乙醇和水混合溶剂中加入纳米花球状N掺杂SnO2和空心管状纳米g-C3N4,搅拌并分散后置于水热反应釜中并在电热鼓风干燥箱中加热至140-160℃,反应3-6h,冷却后洗涤、离心并烘干,煅烧300-350℃,得到花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料。
2.根据权利要求1所述的一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,其特征在于:所述步骤(1)中的电热鼓风干燥箱装置包括电机,电机与导轮固定连接,导轮活动连接有转轮,转轮与鼓风扇固定连接,电热鼓风干燥箱内部设置有加热器,电热鼓风干燥箱表面设置有显示器和开关。
3.根据权利要求1所述的一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,其特征在于:所述步骤(1)中的四氯化锡、氢氧化钠、过氧化氢、浓氨水、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100:90-110:80-100:15-30:310-390。
4.根据权利要求1所述的一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,其特征在于:所述步骤(2)中三聚氰胺和碳酸氢铵的质量比为3:0.8-1.2。
5.根据权利要求1所述的一种花球状N掺杂SnO2负载g-C3N4的光催化产氢材料,其特征在于:所述步骤(3)中的纳米花球状N掺杂SnO2、空心管状纳米g-C3N4的质量比为10:10-15。
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