CN114405530A - 一种制备复合光催化剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光催化剂制备技术领域,公开了一种制备复合光催化剂的方法,包括以下步骤Ti3C2的制备、Ag‑CAM前驱体的制备、Ag/g‑C3N4多孔纳米片的制备、C@TiO2/Ag/g‑C3N4复合光催化材料的制备。采用高能球磨法能够使Ag‑CAM前驱体与Ti3C2粉末晶粒细化,提高Ag‑CAM前驱体与Ti3C2粉末的均匀性。通过一步法原位氧化生成的TiO2能够与g‑C3N4构建异质结,促进了光致载流子的分离以及催化反应的进行。高温分解生成的助催化剂Ag在可见光下可发生表面等离子共振效应,能够显著提高材料对可见光的吸收。
Description
技术领域
本发明涉及光催化剂制备技术领域,特别是涉及一种制备复合光催化剂的方法。
背景技术
随着社会与经济的发展,大规模生产和应用合成染料(如甲基橙、罗丹明等)导致工业废水不断排放,大量的有毒染料污染物由于其毒性和生物降解性差,对环境和人类健康都有严重的危害。光催化技术因其能够利用太阳能降解和矿化水中各类有机污染物而逐渐成为环境科学的重要研究热点。光催化技术可以将低密度的太阳能转化为高密度的化学能(如光催化分解水制氢和氧)或者电能(如太阳能电池);还可以利用太阳能将空气或水中的有机污染物降解为二氧化碳和水;甚至还可还原二氧化碳合成燃料有机小分子。
半导体光催化化学反应主要过程是:首先,半导体吸收的光激发半导体内的电子从价带跃迁至导带,同时在价带留下同样数量的空穴;分离光生电子-空穴分别被电子供体或者电子受体捕获而发生氧化还原化学反应,最终实现光催化反应。光催化技术中的核心是光催化材料。通常高效的半导体光催化剂应该具有较好的光吸收和光响应能力、合适的能带隙以及较高的电子-空穴分离效率和迁移率。自从2009年王心晨等发现g-C3N4能够光催化分解水制氢以来,g-C3N4在光催化领域得到了广泛的研究。
g-C3N4是一种由碳氮元素组成的具有类石墨层状结构的半导体聚合物材料,常见为七嗪结构。其具有合适的带隙、较高的热稳定性、耐酸碱腐蚀性、良好的可见光活性、较高的电子迁移率和较强的氧化还原性能等优点,在可见光催化等领域具有广阔的应用前景。但由于g-C3N4上光生电子和空穴的复合率较髙,同时表面产氢和产氧的活性位较少,比表面积小,导电性较差导致其光催化活性较低,这些缺点大大阻碍了该光催化材料的发展和未来实际应用潜能,因此需要对其进行调控。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述不足,提供一种制备复合光催化剂的方法。
为达到上述目的,本发明是按照以下技术方案实施的:一种制备复合光催化剂的方法,包括以下步骤:
S1,Ti3C2的制备
采用HF刻蚀法制备得到Ti3C2;
S2,Ag-CAM前驱体的制备
将三聚氰胺和三聚氰酸分别溶于DMSO(二甲基亚砜)中,待溶解完全后将含有三聚氰胺的DMSO溶液与三聚氰酸的DMSO溶液混合均匀,得到CAM 混合液(三聚氰胺-三聚氰酸-二甲基亚砜混合液);将AgNO3加入到DMSO中溶解完全,再加入到CAM混合液中搅拌混合,得到悬浮液;对悬浮液进行离心处理后去除溶剂,得到白色溶液;使用无水乙醇洗涤白色溶液,得到下层沉淀物;将下层沉淀物干燥后研磨,得到Ag-CAM前驱体(本步骤得到的Ag-CAM前驱体即为含有AgNO3的g-C3N4前驱体,也可称之为Ag/g-C3N4前驱体,为了方便描述,以Ag-CAM前驱体称之);
S3,Ag/g-C3N4多孔纳米片的制备
将步骤S2获得的Ag-CAM前驱体煅烧后得到Ag/g-C3N4多孔纳米片;步骤 S3是为了探究AgNO3的最适添加量,为了一步制备C@TiO2/Ag/g-C3N4;
S4,C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的制备
将Ag-CAM前驱体与步骤S1获得的Ti3C2进行高能球磨混合,得到混合物;将混合物煅烧后得到C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料。
优选的,所述步骤S1具体过程如下:
向Ti3AlC2粉末中加入49wt%浓度的HF溶液,搅拌混合反应,反应完成后得到的固体用去离子水与乙醇洗涤,将洗涤后的固体真空干燥后得到Ti3C2粉末;
Ti3AlC2粉末与HF溶液的质量固液比为1g:7-13ml。
进一步的,Ti3AlC2粉末与HF溶液的固液比为1g:10ml。
优选的,搅拌混合过程为:在室温下,磁力搅拌混合12h;洗涤过程为:用去离子水与乙醇清洗后离心,清洗离心多次后至洗涤后液体pH为中性,清洗完成;真空干燥过程为:在60℃下,真空干燥24h。
优选的,所述步骤S2中,CAM混合液中,三聚氰胺和三聚氰酸的摩尔比为1:1;含有三聚氰胺的DMSO溶液中,三聚氰胺的物质的量与DMSO的体积比为0.02mol:30-40ml;
含有三聚氰酸的DMSO溶液中,三聚氰酸的物质的量与DMSO的体积比为 0.02mol:30-40ml。
进一步的,含有三聚氰胺的DMSO溶液中,三聚氰胺的物质的量与DMSO 的体积比为0.02mol:35ml;
含有三聚氰酸的DMSO溶液中,三聚氰酸的物质的量与DMSO的体积比为 0.02mol:35ml。
优选的,所述步骤S2中,AgNO3的使用量,为CAM混合液总物质的量的 2-6%(即AgNO3的使用量以摩尔计,该处百分比为摩尔百分比“mol%”)。
优选的,所述搅拌混合的时间为2-4h;所述下层沉淀物的干燥温度为80℃,干燥时间为12-20h。
优选的,所述步骤S3中,将Ag-CAM前驱体置于带盖刚玉坩埚内,放入马弗炉中在500-600℃保温3h,马弗炉的升温速率为3-10℃/min;保温过程完成后,自然冷却。
优选的,所述步骤S4中,Ti3C2的使用量为Ag-CAM前驱体质量的0.25-2.5 wt%。
优选的,所述步骤S4中,高能球磨时采用氧化锆球磨罐,球料比为2.5-3:1;球磨转速为1000-1200rpm/min,球磨时间为10-20min。
优选的,所述步骤S4中,混合物置于带盖刚玉坩埚内,放入马弗炉中,空气气氛内,在500-600℃保温3h;马弗炉的升温速率为3-10℃/min。
本发明的作用原理如下:
g-C3N4基光催化剂的设计主要包括三个方面。一是带隙工程,掺杂非金属贵金属原子能够减小半导体的禁带宽度。二是进行结构调控,一般可以制备出纳米片,纳米线,纳米多孔及核壳结构。微观结构改性主要体现在引入多孔结构、增大比表面积、增加催化活性位点和改变维度或微观尺寸增强光电响应能力。三是构筑半导体异质结,该方法不仅可以扩宽石墨相氮化碳的光谱响应范围,而且可以高效提高光生电子-空穴分离效率,从而提高石墨相氮化碳本身的催化性能。单一的半导体光催化剂由于光生电子和空穴的复合率较高,无法实现太阳能的高效转化。助催化剂的加入能够大大降低反应的活化能,促进电荷截流子的快速移动,抑制光生电子和空穴的复合,从而提高了太阳能的转换效率。
纳米Ag因其导电性能优异,具有表面等离子体效应和带间跃迁,和g-C3N4复合后,可以有效拓宽g-C3N4的可见光响应范围。此外贵金属Ag纳米颗粒吸收光后由于等离子效应会在催化剂表面形成肖特基势能,g-C3N4的光生电子会注入到Ag纳米颗粒上,从而使得光生载流子重新分布,达到抑制电子-空穴复合,从而有更多的活性载流子参与光催化反应,提高光催化活性。
MXene是一种新兴二维过渡金属碳化物和/或氮化物,通过腐蚀含Al层的 MAX相得到的。一般公式为Mn+1XnTx,其中M代表早期过渡金属(如Sc、Ti、 Zr、Nb等),X代表C和/或N,Tx表示刻蚀过程中产生的羟基、氧或氟末端, n=1、2或3。
Ti3C2 MXene由于其独特的二维层状结构以及优异的金属导电性、丰富的表面亲水基团,较大的比表面积可代替贵金属作为光催化体系中的助催化剂。通过与半导体材料结合形成肖特基结,从而促进载流子的产生、运输和分离,使 MXene基复合光催化材料的光活性增强。除此之外,Ti3C2Tx表面暴露的大量钛原子为利用MXene作为半导体前驱体提供了可能,经氧化后很容易转化为二氧化钛,有效减少TiO2的粒子团聚问题,提高其稳定性;同时有效提高电荷分离效率,增强光催化能力。
与传统Ⅱ型异质结相比,Z型异质结的优势在于电子在较高的能级上累积而空穴在较低的能级上累积,使其具有较高的载流子分离效率,宽的光响应范围和相对强的氧化还原能力,可以进一步提高太阳光的利用效率。在Z型光催化体系中,2个半导体之间引入电子介体将进一步导致光诱导电子和空穴的快速转移和分离,从而显著提高光催化性能。然而,选择合适的半导体是构建异质结光催化剂的一大挑战。
因此在本发明中,以Ag-CAM前驱体和MXene(本发明中使用的为Ti3C2) 为原料,通过高能球磨辅助一步法煅烧,合成了一种可见光驱动的双助催化剂协同作用的C@TiO/Ag/g-C3N4四元Z型光催化材料。以部分碳化的Ti3C2为载体,负载Ag修饰的g-C3N4和原位氧化的TiO2可以进一步增大复合光催化材料的比表面积,有利于光催化降解反应的进行。
本发明与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)采用高能球磨法能够使Ag-CAM前驱体与Ti3C2粉末晶粒细化,提高 Ag-CAM前驱体与Ti3C2粉末的均匀性。
(2)通过一步法原位氧化生成的TiO2能够与g-C3N4构建异质结,促进了光致载流子的分离以及催化反应的进行。
(3)高温分解生成的助催化剂Ag在可见光下可发生表面等离子共振(SPR) 效应,能够显著提高材料对可见光的吸收。
(4)助催化剂Ti3C2作为Z型异质结结构的传输介质,进一步促进了光致电子转移并抑制了与光致空穴的重组。
(5)本发明的工艺简单高效,所得产品性能高,具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。
附图说明
图1为实施例1至实施例3获得的Ag-CAM前驱体的XRD图谱;
图2为实施例1至实施例3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片的XRD图谱;
图3为实施例1至实施例3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片的紫外-可见漫反射光谱及对应的带隙;
图4为实施例1至实施例3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片及g-C3N4的光催化性能图;
图5为实施例1、实施例4、实施例5获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的XRD图谱;
图6为实施例1、实施例4、实施例5获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料以及g-C3N4、Ti3C2、实施例1获得的Ag-CAM前驱体的光催化性能图;
图7为实施例1获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的XPS图谱,其中(a)全谱、(b)Ti 2p、(c)Ag 3d、(d)C 1s、(e)N 1s、(f)O 1s;
图8为实施例1、实施例4、实施例5获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料以及实施例1获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片的紫外-可见漫反射光谱及对应的带隙;
图9为g-C3N4、Ti3C2、实施例1获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片、实施例1 获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的氮气吸附脱附和孔径分布曲线。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步描述,在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种制备复合光催化剂的方法,包括以下步骤:
S1,Ti3C2的制备
采用HF刻蚀法制备得到Ti3C2;向Ti3AlC2粉末中加入49wt%浓度的HF溶液,搅拌混合反应,反应完成后得到的固体用去离子水与乙醇洗涤,将洗涤后的固体真空干燥后得到Ti3C2粉末;
Ti3AlC2粉末与HF溶液的固液比为1g:10ml。
S2,Ag-CAM前驱体的制备
将三聚氰胺和三聚氰酸分别溶于DMSO中,待溶解完全后将含有三聚氰胺的DMSO溶液与三聚氰酸的DMSO溶液混合均匀,得到CAM混合液;将AgNO3加入到10ml的DMSO中溶解完全,再加入到CAM混合液中搅拌混合,得到悬浮液;对悬浮液进行离心处理后去除溶剂,得到白色溶液;使用无水乙醇洗涤白色溶液,得到下层沉淀物;将下层沉淀物干燥后研磨,得到Ag-CAM前驱体;
CAM混合液中,三聚氰胺和三聚氰酸的摩尔比为1:1,含有三聚氰胺的 DMSO溶液中,三聚氰胺的物质的量为0.02mol,DMSO的体积为35ml;含有三聚氰酸的DMSO溶液中,三聚氰酸的物质的量为0.02mol,DMSO的体积为 35ml。AgNO3的使用量,为CAM混合液总物质的量的4%(摩尔百分比)。
搅拌混合的时间为3h;所述下层沉淀物的干燥温度为80℃,干燥时间为16h。
S3,Ag/g-C3N4多孔纳米片的制备
将步骤S2获得的Ag-CAM前驱体煅烧后得到Ag/g-C3N4多孔纳米片; Ag-CAM前驱体置于带盖刚玉坩埚内,放入马弗炉中在550℃保温3h,马弗炉的升温速率为7℃/min;保温过程完成后,自然冷却。
S4,C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的制备
将Ag-CAM前驱体与步骤S1获得的Ti3C2进行高能球磨混合,得到混合物;将混合物煅烧后得到C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料。
Ti3C2的使用量为40mg,Ag-CAM前驱体的使用量为4g。高能球磨时采用氧化锆球磨罐,研磨球的质量为11.2g;球磨转速为1060rpm/min,球磨时间为 15min。混合物置于带盖刚玉坩埚内,放入马弗炉中,空气气氛内,在550℃温度下保温3h;马弗炉的升温速率为7℃/min。
本实施例步骤S2获得的Ag-CAM前驱体,标记为Ag-CAM-4;步骤S3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片,标记为Ag-CN-4;步骤S4获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料,标记为C@TiO/Ag/CN-40。
实施例2
实施例2中,步骤S2中,AgNO3的使用量,为CAM混合液总物质的量的2%。其余步骤与实施例1相同。
本实施例步骤S2获得的Ag-CAM前驱体,标记为Ag-CAM-2;步骤S3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片,标记为Ag-CN-2;
实施例3
实施例3中,步骤S2中,AgNO3的使用量,为CAM混合液总物质的量的 6%。其余步骤与实施例1相同。
本实施例步骤S2获得的Ag-CAM前驱体,标记为Ag-CAM-6;步骤S3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片,标记为Ag-CN-6。
实施例4
实施例4中,步骤S4中,Ti3C2的使用量为10mg,Ag-CAM前驱体的使用量为4g;其余步骤与实施例1相同。
本实施例步骤S4获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料,标记为 C@TiO/Ag/CN-10。
实施例5
实施例5中,步骤S4中,Ti3C2的使用量为70mg,Ag-CAM前驱体的使用量为4g;其余步骤与实施例1相同。
步骤S4获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料,标记为 C@TiO/Ag/CN-70。
下述附图中,Ti3C2为实施例1步骤S1获得的Ti3C2粉末;g-C3N4为现有技术中常用的g-C3N4。
如图1所示,为实施例1至实施例3获得的Ag-CAM前驱体的XRD图谱;图中,由上至下依次为Ag-CAM-6、Ag-CAM-4、Ag-CAM-2、CAM。其中CAM 指的是实施例1获得的CAM混合液。
如图2所示,为实施例1至实施例3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片的XRD 图谱;图中,由上至下依次为Ag-CN-6、Ag-CN-4、Ag-CN-2、Ag-CN。其中 Ag-CN为Ag-C3N4,可通过现有技术获得。
如图3所示,为实施例1至实施例3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片的紫外- 可见漫反射光谱及对应的带隙;图中,左侧的图为Ag-CN-6、Ag-CN-4、Ag-CN-2、 g-C3N4、Ti3C2的紫外-可见漫反射光谱;右侧的图为Ag-CN-4、g-C3N4、Ti3C2所对应的带隙。
如图4所示,为实施例1至实施例3获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片及g-C3N4的光催化性能图;图中有Ag-CN-6、Ag-CN-4、Ag-CN-2、g-C3N4的折线。
如图5所示,为实施例1、实施例4、实施例5获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的XRD图谱;
如图6所示,为实施例1、实施例4、实施例5获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料以及g-C3N4、Ti3C2、实施例1获得的Ag-CAM前驱体的光催化性能图。
如图7所示,为实施例1获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料 (C@TiO/Ag/CN-40)的XPS图谱,其中(a)全谱;(b)Ti 2p;(c)Ag 3d;(d)C 1s; (e)N 1s;(f)O 1s。
如图8所示,为实施例1、实施例4、实施例5获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料以及实施例1获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片的紫外-可见漫反射光谱及对应的带隙。图中,左侧的图为C@TiO/Ag/CN-70、C@TiO/Ag/CN-40、C@TiO/Ag/CN-10、g-C3N4、Ag-CN-4、Ti3C2的紫外-可见漫反射光谱;右侧的图为C@TiO/Ag/CN-40、Ag-CN-4、Ti3C2所对应的带隙。
如图9所示,为g-C3N4、Ti3C2、实施例1获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片、实施例1获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的氮气吸附脱附和孔径分布曲线。其中(a)为g-C3N4、(b)为Ti3C2、(c)为Ag-CN-4(实施例1获得的Ag/g-C3N4多孔纳米片)、(d)为C@TiO/Ag/CN-40(实施例1获得的C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料)。
如表1所示,为g-C3N4,Ti3C2,Ag-CN-4和C@TiO/Ag/CN-40的比表面、孔隙体积和平均孔径的数据。
表1 g-C3N4,Ti3C2,Ag-CN-4和C@TiO/Ag/CN-40的比表面、孔隙体积和平均孔径
本发明以Ag-CAM前驱体和MXene为原料,通过高能球磨辅助一步法煅烧合成了C@TiO2/Ag/g-C3N4四元Z型光催化材料。当AgNO3添加量为4mol%时, 120min内光催化性能达66%。进一步引入MXene基材料,当Ti3C2添加量为 40mg时,C@TiO/Ag/g-C3N4在80min内降解性能达98%。这种增强的光催化性能是由于在复合材料中形成了Z型异质结,碳化的Ti3C2层和比表面积巨大的 Ag/g-C3N4多孔纳米片以及氧化生成的TiO2之间的亲密接触促进了光致载流子的分离以及催化反应的进行。此外,Ti3C2作为Z型异质结结构的的传输介质,进一步促进了光致电子转移并抑制了与光致空穴的重组。
以上已经描述了本发明的实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (9)
1.一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1,Ti3C2的制备
采用HF刻蚀法制备得到Ti3C2;
S2,Ag-CAM前驱体的制备
将三聚氰胺和三聚氰酸分别溶于DMSO中,待溶解完全后将含有三聚氰胺的DMSO溶液与三聚氰酸的DMSO溶液混合均匀,得到CAM混合液;将AgNO3加入到DMSO中溶解完全,再加入到CAM混合液中搅拌混合,得到悬浮液;对悬浮液进行离心处理后去除溶剂,得到白色溶液;使用无水乙醇洗涤白色溶液,得到下层沉淀物;将下层沉淀物干燥后研磨,得到Ag-CAM前驱体;
S3,Ag/g-C3N4多孔纳米片的制备
将步骤S2获得的Ag-CAM前驱体煅烧后得到Ag/g-C3N4多孔纳米片;
S4,C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料的制备
将Ag-CAM前驱体与步骤S1获得的Ti3C2进行高能球磨混合,得到混合物;将混合物煅烧后得到C@TiO2/Ag/g-C3N4复合光催化材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤S1具体过程如下:
向Ti3AlC2粉末中加入49wt%浓度的HF溶液,搅拌混合反应,反应完成后得到的固体用去离子水与乙醇洗涤,将洗涤后的固体真空干燥后得到Ti3C2粉末;
Ti3AlC2粉末与HF溶液的质量固液比为1g:7-13ml。
3.根据权利要求1所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:
所述步骤S2中,CAM混合液中,三聚氰胺和三聚氰酸的摩尔比为1:1;
含有三聚氰胺的DMSO溶液中,三聚氰胺的物质的量与DMSO的体积比为0.02mol:30-40ml;
含有三聚氰酸的DMSO溶液中,三聚氰酸的物质的量与DMSO的体积比为0.02mol:30-40ml。
4.根据权利要求3所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:
所述步骤S2中,AgNO3的使用量,为CAM混合液总物质的量的2-6%。
5.根据权利要求4所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:所述搅拌混合的时间为2-4h;所述下层沉淀物的干燥温度为80℃,干燥时间为12-20h。
6.根据权利要求1所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:
所述步骤S3中,将Ag-CAM前驱体置于带盖刚玉坩埚内,放入马弗炉中在500-600℃保温3h,马弗炉的升温速率为3-10℃/min;保温过程完成后,自然冷却。
7.根据权利要求1所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤S4中,Ti3C2的使用量为Ag-CAM前驱体质量的0.25-2.5wt%。
8.根据权利要求7所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤S4中,高能球磨时采用氧化锆球磨罐,球料比为2.5-3:1;球磨转速为1000-1200rpm/min,球磨时间为10-20min。
9.根据权利要求8所述的一种制备复合光催化剂的方法,其特征在于:
所述步骤S4中,混合物置于带盖刚玉坩埚内,放入马弗炉中,空气气氛内,在500-600℃保温3h;马弗炉的升温速率为3-10℃/min。
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