CN113198448A - 一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料及制法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光催化制氢技术领域，一种Y掺杂海胆状纳米TiO2‑SrTiO3异质结光催化制氢材料，由于Y掺杂海胆状纳米TiO2与介孔SrTiO3都具有非常高的比表面积，提供了大量多的反应活性位点，同时高比表面积与海胆状结构提高了对光能的吸收与利用率，同时稀土Y元素的掺杂产生更多能够捕获电子空穴的陷阱，降低了光生载流子的复合率，并引入了杂质能级，使禁带较宽的TiO2的禁带变窄，提高了对光能的吸收范围，由于TiO2与SrTiO3的能带结构差异，形成异质结构，由于SrTiO3的导带比TiO2更负，使激发的光生电子从SrTiO3的导带快速转移至TiO2上，使光生载流子有效的分离，并在异质界面建立内建电场，进一步促进了光生载流子的分离。
Description
技术领域
本发明涉及光催化制氢技术领域，具体为一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料及制法。
背景技术
随着社会的高速发展，全球每日消耗的能源量也越来越大，而石油等非可再生能源的不断消耗，也使能源危机愈发的迫近，寻找一种清洁可再生的新能源已经迫在眉睫，目前重点开发的新能源主要有：太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、原子能以及氢能，而氢能，由于其高燃烧值与清洁的特性，使目前最干净的能源也是最理想的能源，同时光催化分解水制氢的发现也使氢能成为非常好的可再生资源成为可能，也因此研究者们对光催化分解水制氢的研究热情经久不衰。
越来越多的光催化分解水制氢材料相继出现，而目前主要的光催化制氢材料有CdS、MoS2、ZnO、TiO2等等，其中TiO2由于其优异的光电化学性能、无毒无害、环保、性质稳定等优点，被广泛的作为光催化制氢材料得到研究，但纯TiO2的带隙较宽，对可见光的利用率较低，同时又由于有这较高的光生电子-空穴复合率，使纯TiO2的光催化制氢效率较差，由于SrTiO3与TiO2有着不同的能带结构，因此能够形成异质结构，可以制备性能良好的复合光催化材料。
(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Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料及制法，解决了TiO2光生电子-空穴复合严重，光催化分解水制氢性能较低的问题。
(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Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料制备方法包括以下步骤：
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至9-12，然后进行超声反应，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
优选的，所述步骤(1)中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:3-5:0.5-2。
优选的，所述步骤(1)中水热反应温度为140-160℃，水浴反应时间为20-30h。
优选的，所述步骤(1)中煅烧的过程中升温速率为1-5℃/min，煅烧温度为450-550℃，煅烧时间为2-4h。
优选的，所述步骤(2)中Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:240-320:85-110。
优选的，所述步骤(2)中超声反应的超声功率为180-220W/cm2，超声时间为80-150min。
(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Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，以钛酸四丁酯为钛源，以P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物作为表面活性剂模版，以硝酸钇Y(NO3)3作为Y源，进行水热反应，再进行煅烧除去P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物，得到表面具有非常多孔隙的Y掺杂海胆状纳米TiO2，丰富的孔隙使其具有非常高的比表面积，再进行超声法制备高比表面积的介孔SrTiO3时，加入Y掺杂海胆状纳米TiO2，在碱性条件下进行超声处理，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，由于Y掺杂海胆状纳米TiO2与介孔SrTiO3都具有非常高的比表面积，提供了大量多的反应活性位点，同时高比表面积与海胆状结构提高了对光能的吸收与利用率，从而提高了复合光催化剂光催化制氢的活性与制氢效率。
该一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，在制备海胆状TiO2时掺杂了Y元素，稀土Y元素的掺杂进一步使TiO2产生晶格畸变，使得氧空穴与切线的浓度增加，产生更多能够捕获电子空穴的陷阱，降低了光生载流子的复合率，提高了光催化效率，同时Y掺杂在TiO2的价带与导带之间引入了杂质能级，使禁带较宽的TiO2的禁带变窄，吸收带发生红移，提高了对光能的吸收范围，激发更多的电子跃迁，提高了光催化活性，从而提高了光催化制氢的效率。
该一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，通过在合成介孔SrTiO3的过程中，加入Y掺杂海胆状纳米TiO2，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，由于TiO2与SrTiO3的能带结构差异，形成异质结构，一方面由于SrTiO3的导带比TiO2更负，使激发的光生电子从SrTiO3的导带快速转移至TiO2上，而价带上的空穴则转移至SrTiO3的价带上，使光生载流子有效的分离，另一方面，则由于TiO2的费米能级朝负电势移动，而SrTiO3的费米能级朝正电势移动，达到平衡后在异质界面建立内建电场，进一步促进了光生载流子的分离，在添加牺牲试剂后，进一步使电荷在光催化剂表面转移，使空穴与牺牲试剂反应，而导带上的光生电子将水还原成氢气，使在还原制氢的过程中降低光生载流子的复合，因此可以高效的进行光催化分解水制氢。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：所述一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料制备方法如下：
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，其中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:3-5:0.5-2，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，水热反应温度为140-160℃，水浴反应时间为20-30h，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，煅烧的过程中升温速率为1-5℃/min，煅烧温度为450-550℃，煅烧时间为2-4h，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:240-320:85-110，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至9-12，然后进行超声反应，超声反应的超声功率为180-220W/cm2，超声时间为80-150min，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
实施例1
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，其中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:3:0.5，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，水热反应温度为140℃，水浴反应时间为20h，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，煅烧的过程中升温速率为1℃/min，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2h，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:240:85，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至9，然后进行超声反应，超声反应的超声功率为180W/cm2，超声时间为80min，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
实施例2
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，其中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:3.5:1，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，水热反应温度为145℃，水浴反应时间为24h，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，煅烧的过程中升温速率为2℃/min，煅烧温度为500℃，煅烧时间为3h，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:270:95，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至10，然后进行超声反应，超声反应的超声功率为200W/cm2，超声时间为100min，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
实施例3
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，其中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:4.5:1.5，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，水热反应温度为150℃，水浴反应时间为26h，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，煅烧的过程中升温速率为4℃/min，煅烧温度为500℃，煅烧时间为3h，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:300:100，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至11，然后进行超声反应，超声反应的超声功率为200W/cm2，超声时间为120min，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
实施例4
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，其中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:5:2，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，水热反应温度为160℃，水浴反应时间为30h，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，煅烧的过程中升温速率为5℃/min，煅烧温度为550℃，煅烧时间为4h，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:320:110，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至12，然后进行超声反应，超声反应的超声功率为220W/cm2，超声时间为150min，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
对比例1
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，其中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:1:0.2，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，水热反应温度为140℃，水浴反应时间为20h，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，煅烧的过程中升温速率为1℃/min，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2h，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:150:50，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至9，然后进行超声反应，超声反应的超声功率为180W/cm2，超声时间为80min，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
对比例2
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，其中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:10:5，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，水热反应温度为160℃，水浴反应时间为30h，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，煅烧的过程中升温速率为5℃/min，煅烧温度为550℃，煅烧时间为4h，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:500:160，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至12，然后进行超声反应，超声反应的超声功率为220W/cm2，超声时间为150min，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
将实施例与对比例的0.1g复合光催化剂分散于100ml甲醇浓度为6mol/L的水溶液中的溶液中，以甲醇为牺牲试剂，使用300w的LAX-C100高压氙灯进行光照，总输出功率50w，并测试产氢速率，测试标准为GB/T 26915-2011。
Claims (6)
1.一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，其特征在于：所述的一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料制备方法包括以下步骤：
(1)将钛酸四丁酯逐滴加入至P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的冰醋酸溶液中，混合均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，于水热反应釜内，进行水热反应，离心洗涤、真空干燥，再将产物置于管式炉内进行煅烧，得到Y掺杂海胆状纳米TiO2；
(2)将Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，再加入Sr(OH)2，搅拌均匀后，再加入超纯水，置于超声装置中超声分散，再加入盐酸调控pH至9-12，然后进行超声反应，离心洗涤、真空干燥得到Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料。
2.根据权利要求1所述的一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，其特征在于：所述步骤(1)中钛酸四丁酯、P123聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物与Y(NO3)3的质量比为100:3-5:0.5-2。
3.根据权利要求1所述的一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，其特征在于：所述步骤(1)中水热反应温度为140-160℃，水浴反应时间为20-30h。
4.根据权利要求1所述的一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，其特征在于：所述步骤(1)中煅烧的过程中升温速率为1-5℃/min，煅烧温度为450-550℃，煅烧时间为2-4h。
5.根据权利要求1所述的一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，其特征在于：所述步骤(2)中Y掺杂海胆状纳米TiO2、钛酸四丁酯与Sr(OH)2的质量比为100:240-320:85-110。
6.根据权利要求1所述的一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料，其特征在于：所述步骤(2)中超声反应的超声功率为180-220W/cm2，超声时间为80-150min。
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| CN202110471177.XA CN113198448A (zh) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | 一种Y掺杂海胆状纳米TiO2-SrTiO3异质结光催化制氢材料及制法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115582111A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-01-10 | 安徽大学 | 一种由MXene衍生的SrTiO3基光催化剂及其应用 |
| CN117504892A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-02-06 | 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所 | 一种La-Fe共掺杂SrTiO3/TiO2复合材料及其制备方法和应用 |
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2021
- 2021-04-29 CN CN202110471177.XA patent/CN113198448A/zh not_active Withdrawn
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