CN114733540A - 一种纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级碳包覆Mo‑Mo2C的异质纳米粒子及其制备方法和应用，属于光催化材料领域。该方法包括以下步骤：将前驱体凝胶在还原气氛中加热至600‑800℃煅烧，得到纳米级碳包覆Mo‑Mo2C的异质纳米粒子；所述前驱体凝胶是将钼源、柠檬酸和乙醇超声混合并干燥得到。将碳包覆Mo‑Mo2C的异质纳米粒子分别CdS与g‑C3N4混合超声，再干燥研磨，得到复合催化剂。本发明采用钼源、柠檬酸、无水乙醇为原料，通过溶胶凝胶法结合碳氢碳氢原位同步共还原和渗碳工艺合成异质纳米粒子。该方法操作简单，反应时间短，合成效率高。采用该异质纳米粒子制备的复合催化剂可显著提高光催化产氢和光催化重整甲酸产氢的效率。
Description
技术领域
本发明属于光催化材料领域，具体涉及一种纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子及其制备方法和应用。
背景技术
化石能源利用具有高碳、低效率、不清洁的特点，因此造成许多环境问题和能源问题。全球能源危机和环境污染一直都是两个亟待解决的问题，找寻清洁且可持续能源是我们社会面临的最严峻挑战之一。清洁、高效和系统地应用清洁能源，包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能、潮汐能等可以做到对生态环境零污染或极低污染。大力发展清洁能源，不仅提供了充足的能源，保障了社会经济的发展，而且有利于改善环境。氢气(H2)是一种清洁能源，被认为是替代传统化石燃料的理想选择。理想产氢方式之一通过低成本和环境友好的方法大规模生产氢气是其实际应用的前提，将太阳能转化为氢能的光催化分解水产氢技术无疑是具有广阔的发展前景。氢能需要以某种方式从其他能源中获得，最方便的途径便是电解水，另外还有一些生物制氢方法可用于制氢。目前，工业制氢方法主要是通过天然气、石油和煤在高温下与水反应制氢。大规模生产虽已实现，但无法满足可持续发展的要求。随着科学技术的不断发展，如果可以实现氢能的低成本，工业化大规模生产，以氢能作为主要能源可以有效改善环境污染和能源危机。在当前众多的制氢方法中，光解水作为一种新兴的技术利用太阳能从分解水获得氢气，是一种非常有潜力的制氢方法。
自从1972年首次提出用TiO2半导体光电催化分解水以来，各种半导体材料开始广泛用于光催化产氢，其中，石墨氮化碳(g-C3N4)是一种非常有前途的析氢反应(HER)光催化剂。g-C3N4因其成本低、易制备、优异的稳定性、可见光吸收等优势已被广泛报道。然而，g-C3N4也有一些明显的缺点，特别是在光生电子迁移的过程中，很容易与光生空穴发生复合，独立的光催化活性并不高。在未负载辅助助催化剂的情况下，纯的g-C3N4上几乎无法产生H2。目前已报道了各种g-C3N4的改性方法用于提高其光催化性能，例如纳米结构构造、缺陷工程、元素掺杂、负载助催化剂、异质结耦合和表面敏化等。以提高g-C3N4的光催化性能。在各种改性途径中，助催化剂负载到g-C3N4表面是提高其光催化性能最有效的方法，因为助催化剂不仅可以促进光生电子-空穴对的分离，而且还可以促进质子还原速率。通常使用的是一些贵金属作为辅助助催化剂，例如Pt，Ru，Pd，Rh等，目前报道的HER最有效的助催化剂是贵金属Pt纳米颗粒。然而，Pt的成本和稀缺性限制了其大规模应用，因此，开发和研究其他成本较低的非贵金属助催化剂来替代贵金属才能真正走向实际应用。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到纳米尺寸和成分比例可控的纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子。
本发明的再一目的在于提供一种由纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子制备的复合催化剂。
本发明的又一目的在于提供上述复合催化剂在光催化产氢或光催化重整甲酸产氢中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现。
一种纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的制备方法，包括如下步骤：
将前驱体凝胶在还原气氛中加热至600-800℃煅烧，得到纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子；所述前驱体凝胶是将钼源、柠檬酸和乙醇超声混合并干燥得到。
优选的，所述煅烧的温度为700℃-750℃，煅烧的时间为3～7h。
优选的，所述煅烧的升温速率为3～10℃/min，进一步优选为3℃/min。
优选的，所述钼源与柠檬酸的质量比为5:9-14。
优选的，所述煅烧的温度为750℃，煅烧的时间为3h；所述钼源与柠檬酸的质量比为5:12；所述钼源为三氧化钼；所述还原气氛是指8％H2/Ar气氛。
以上任一项所述的制备方法制备得到的一种纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子，所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的粒径为10～50nm。
一种复合催化剂，包括主催化剂和助催化剂，所述助催化剂为权利要求5所述的纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子。
优选的，所述主催化剂为g-C3N4或CdS。
优选的，所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和g-C3N4总质量的1％～7％；所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和CdS总质量的1％～20％。
优选的，所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和g-C3N4总质量的3％～5％；所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和CdS总质量的10％～15％。
以上所述一种复合催化剂通过如下方法制备得到：将纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子与g-C3N4按一定比例混合超声自组装后，冷冻干燥，机械研磨1h得到复合材料Mo-Mo2C@C/g-C3N4(MMCC)。
以上所述一种复合催化剂通过如下方法制备得到：将纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子与CdS按一定比例混合超声自组装后，冷冻干燥，机械研磨1h得到复合材料Mo-Mo2C@C/CdS(MMCS)。
以上任一项所述的一种复合催化剂在光催化产氢或光催化重整甲酸产氢中的应用。
优选地，所述应用中使用的牺牲剂是含10％三乙醇胺水溶液(提供碱性环境)和10％甲酸水溶液(提供酸性环境)。
本发明基于溶胶凝胶法结合碳氢碳氢原位同步共还原和渗碳工艺简单有效合成Mo-Mo2C@C异质助催化剂可以应用于多种类型的光催化半导体，实现了令人兴奋的增长光催化活性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明采用简单易得，高度商业化的三氧化钼、柠檬酸，无水乙醇作为原料，通过溶胶凝胶法结合碳氢碳氢原位同步共还原和渗碳工艺合成纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子。操作简单，反应时间短，合成效率高。得到的Mo-Mo2C纳米粒子具有核壳结构和异质结构，产物纯度高，粒径小，纳米粒子直径在10～50nm之间，大小分布十分均匀，有较大的比表面积。
(2)本发明制备的Mo-Mo2C纳米粒子具有核壳结构，外层包覆有适当厚度的碳层，不易被氧化且可长时间存储，利于工业化规模生产。
(3)本发明制备的Mo-Mo2C@C纳米粒子尺寸大小可通过调节柠檬酸量进行调控。
(4)本发明制备的Mo-Mo2C@C纳米粒子尺寸大小Mo和Mo2C成分比例可通过调节煅烧温度，煅烧时间，柠檬酸添加量进行调控。
(5)本发明制备的Mo-Mo2C纳米粒子具有异质结构，有利于改变Mo2C的电子转移特性提升Mo2C的导电性。以及改变d轨道特征以及调整费米能级，改善其氢结合能(ΔGH*)以实现理想的析氢活性。
(6)本发明由纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子制备的复合材料可以实现宽pH下普适性产氢，3wt.％Mo-Mo2C@C/g-C3N4(MMCC3)在10％的三乙醇胺溶液(碱性)中，加入10mg的MMCC3复合材料每小时的产氢量可以达到2.7mmol/g。15wt.％Mo-Mo2C@C/CdS(MMCS15)在10％甲酸溶液(酸性)中，MMCS15复合材料的每小时的产氢量可以达到98.18mmol/g。
附图说明
图1为本发明实施例6和实施例11～15不同柠檬酸量调控的Mo-Mo2C@C所得纳米粒子的SEM图。
图2为本发明实施例1～5不同煅烧温度得到Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图。
图3为本发明实施例4和实施例6～10不同煅烧时间得到Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图。
图4为本发明实施例7和实施例11～15所得不同柠檬酸添加量得到Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图。
图5为本发明实施例16～19所得复合材料Mo-Mo2C@C/g-C3N4(MMCC)的XRD衍射图。
图6为本发明实施例20～24所得复合材料Mo-Mo2C@C/CdS(MMCS)的XRD衍射图。
图7为本发明实施例13所得Mo-Mo2C@C所得纳米粒子的TEM图。
图8为本发明实施例17所得Mo-Mo2C@C与g-C3N4复合材料的SEM图。
图9为本发明实施例23所得Mo-Mo2C@C与CdS复合材料的SEM图。
图10为本发明应用实施例1～6所得复合材料Mo-Mo2C@C/g-C3N4(MMCC-C)的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图。
图11为本发明应用实施例7～9所得复合材料Mo-Mo2C@C/g-C3N4(MMCC)的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图。
图12为本发明应用实施例10～14所得复合材料Mo-Mo2C@C/CdS(MMCS)的产氢效率与CdS的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛加热至600℃煅烧5小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图2所示。由图2可知，所得黑色粉末产物为高纯度的MoO2-Mo-Mo2C@C纳米粒子。
实施例2助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至650℃煅烧5小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图2所示。由图2可知，所得黑色粉末产物为高纯度的MoO2-Mo-Mo2C@C纳米粒子，但相较于实施例1的产物MoO2含量有所下降，Mo和Mo2C有所提升。
实施例3助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至700℃煅烧5小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图2所示。由图2可知，所得黑色粉末产物为高纯度的MoO2-Mo-Mo2C@C纳米粒子。产物中还含有少量MoO2，主要成分为Mo和Mo2C。
实施例4助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧5小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图2所示。由图2可知，所得黑色粉末产物为高纯度的-Mo-Mo2C@C纳米粒子。产物中MoO2消失，主要成分为Mo和Mo2C。
实施例5助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至800℃煅烧5小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图2所示。由图2可知，所得黑色粉末产物为高纯度的-Mo-Mo2C@C纳米粒子。产物中单质钼消失，主要成分为Mo2C。
实施例6助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧2小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图3所示。由图3可知，所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。由于煅烧时间比较短，碳渗作用比较缓慢，因此Mo2C含量较低，Mo含量较高。
实施例7助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在氮气气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图3所示。由图3可知，所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。相较于实施例6的产物，Mo2C含量有所升高，Mo含量有所下降。
实施例8助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧4小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图3所示。由图3可知，所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。相较于实施例6的产物，Mo2C含量有所升高，Mo含量有所下降。
实施例9助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧6小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图3所示。由图3可知，所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。相较于实施例6的产物，Mo2C含量有所升高，Mo含量有所下降。
实施例10助催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧7小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到黑色粉末，如图3所示。由图3可知，所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。相较于实施例6的产物，Mo2C含量有所升高，Mo含量有所下降。
实施例11复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，0.9g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的扫描电镜(SEM)图如图1所示。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图如图4所示。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以3:97的质量比(3％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC-C0.9)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。
实施例12复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.1g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的扫描电镜(SEM)图如图1所示。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图如图4所示。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以3:97的质量比(3％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC-C1.1)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。
实施例13复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的扫描电镜(SEM)图如图1所示。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)图7可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图如图4所示。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以3:97的质量比(3％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC3或MMCC-C1.2)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。
实施例14复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.3g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的扫描电镜(SEM)图如图1所示。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图如图4所示。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以3:97的质量比(3％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC-C1.3)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。
实施例15复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.4g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的扫描电镜(SEM)图如图1所示。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图如图4所示。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以3:97的质量比(3％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC-C1.4)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。
实施例16复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以1:99的质量比(1％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC1)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图5所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和g-C3N4的衍射峰。
实施例17复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。所得Mo-Mo2C@C纳米粒子的XRD图如图4所示。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以3:97的质量比(3％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC3或MMCC-C1.2)。通过扫描电镜(见图8)和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图5所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和g-C3N4的衍射峰。
实施例18复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以1:19的质量比(5％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC5)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图5所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和g-C3N4的衍射峰。
实施例19复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与g-C3N4以7:93的质量比(7％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCC7)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒与g-C3N4已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图5所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和g-C3N4的衍射峰。
实施例20复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与CdS以1:99的质量比(1％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCS1)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒CdS已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图6所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和CdS的衍射峰。
实施例21复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有核壳结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与CdS以1:19的质量比(5％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCS5)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒CdS已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图6所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和CdS的衍射峰。
实施例22复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与CdS以1:9的质量比(10％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCS10)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒CdS已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图6所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和CdS的衍射峰。
实施例23复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与CdS以1:5的质量比(15％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCS15)。通过扫描电镜(见图9)和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒CdS已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图6所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和CdS的衍射峰。
实施例24复合催化剂的制备
(1)将0.5g三氧化钼粉末，1.2g柠檬酸，5ml无水乙醇放入拇指瓶中，超声3h，再倒入瓷舟中，先蒸发一部分乙醇后，将瓷舟放入真空干燥80℃烘24h，再放入管式炉中在8％H2/Ar气氛中加热至750℃煅烧3小时，升温速率为5℃/min，8％H2/Ar流速为100mL/min，得到的黑色粉末即为Mo-Mo2C@C纳米粒子。由Mo-Mo2C@C纳米粒子的透射电镜(TEM)可见所得Mo-Mo2C@C纳米粒具有异质结构，外层包覆有适当厚度的碳层；Mo-Mo2C@C纳米粒子的粒径为10～50nm左右。XRD图结果表明所得黑色粉末产物为高纯度的Mo-Mo2C@C纳米粒子。
(2)将所得Mo-Mo2C@C纳米粒子与CdS以1:4的质量比(20％)混合超声自组装后，冷冻干燥，研磨1小时后得到复合材料(记为MMCS20)。通过扫描电镜和透射电镜观察得到Mo-Mo2C@C纳米颗粒CdS已经十分均匀的复合在一起。所得复合材料的XRD图如图6所示，XRD图谱可以清晰的观察到Mo-Mo2C@C和CdS的衍射峰。
应用实施例1
将实施例11制备的MMCC-C0.9作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC-C0.9粉末的产氢效率为0.37mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了14.12％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图10所示。
应用实施例2
将制备的MMCC-C1(与实施例11中MMCC-C0.9的制备方法相比，不同点在于将柠檬酸用量由0.9g替换为1.0g，其他制备条件完全相同)作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC-C1粉末的产氢效率为0.57mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了21.75％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图10所示。
应用实施例3
将实施例12制备的MMCC-C1.1作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC-C1.1粉末的产氢效率为1.25mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了47.71％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图10所示。
应用实施例4
将实施例13制备的MMCC-C1.2(MMCC3)作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC-C1.2粉末的产氢效率为2.7mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了103.05％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图10所示。
应用实施例5
将实施例14制备的MMCC-C1.3作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC-C1.3粉末的产氢效率为1.67mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了63.74％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图10所示。
应用实施例6
将实施例15制备的MMCC-C1.4作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC-C1.4粉末的产氢效率为1.42mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了54.19％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图10所示。
应用实施例7
将实施例16制备的MMCC1作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC1粉末的产氢效率为0.55mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了20.99％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图11所示。
应用实施例8
将实施例18制备的MMCC5作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC5粉末的产氢效率为2.4mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了91.60％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图11所示。
应用实施例9
将实施例19制备的MMCC7作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％三乙醇胺的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μ1的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCC7粉末的产氢效率为1.64mmol/h，对比载1％Pt的g-C3N4产氢量(2.62mmol/h)，达到了62.59％的效率。所得复合材料的产氢效率与g-C3N4及1％Pt/g-C3N4的对比图如图11所示。
应用实施例10
将实施例20制备的MMCS1作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％甲酸的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCS1粉末的产氢效率为32.97mmol/h，对比CdS产氢量(5.78mmol/h)，达到了570.41％的效率。所得复合材料的产氢效率与CdS的对比图如图12所示。
应用实施例11
将实施例21制备的MMCS5作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％甲酸的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300W Xe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCS5粉末的产氢效率为54.2mmol/h，对比CdS产氢量(5.78mmol/h)，达到了937.71％的效率。所得复合材料的产氢效率与CdS的对比图如图12所示。
应用实施例12
将实施例22制备的MMCS10作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％甲酸的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300WXe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCS10粉末的产氢效率为88.46mmol/h，对比CdS产氢量(5.78mmol/h)，达到了1530.44％的效率。所得复合材料的产氢效率与CdS的对比图如图12所示。
应用实施例13
将实施例23制备的MMCS15作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％甲酸的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300WXe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCS1粉末的产氢效率为98.18mmol/h，对比CdS产氢量(5.78mmol/h)，达到了1698.61％的效率。所得复合材料的产氢效率与CdS的对比图如图12所示。
应用实施例14
将实施例24制备的MMCS20作为光催化剂，进行光催化产氢测试。将10mg催化剂分散在含10％甲酸的100ml水溶液中，将100ml的混合溶液转移到石英密封反应器中。用300WXe灯加上滤光片获得400nm以上的光源。在光照前，通入30min以上的N2使反应器内达到厌氧0环境。光照后每小时从反应器中提取出400μL的气体用气相色谱仪(GC-7900)分析，并通过计算得出光催化制氢效率。得到每克MMCS20粉末的产氢效率为55.32mmol/h，对比CdS产氢量(5.78mmol/h)，达到了957.09％的效率。所得复合材料的产氢效率与CdS的对比图如图12所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：
将前驱体凝胶在还原气氛中加热至600-800℃煅烧，得到纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子；所述前驱体凝胶是将钼源、柠檬酸和乙醇超声混合并干燥得到。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为700℃-750℃，煅烧的时间为3～7h。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钼源与柠檬酸的质量比为5:9-14。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为750℃，煅烧的时间为3h；所述钼源与柠檬酸的质量比为5:12；所述钼源为三氧化钼；所述还原气氛是指8％H2/Ar气氛。
5.权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的一种纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子，其特征在于，所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的粒径为10～50nm。
6.一种复合催化剂，其特征在于，包括主催化剂和助催化剂，所述助催化剂为权利要求5所述的纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子。
7.根据权利要求6所述的一种复合催化剂，其特征在于，所述主催化剂为g-C3N4或CdS。
8.根据权利要求7所述的一种复合催化剂，其特征在于，所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和g-C3N4总质量的1％～7％；所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和CdS总质量的1％～20％。
9.根据权利要求8所述的一种复合催化剂，其特征在于，所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和g-C3N4总质量的3％～5％；所述纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子的加入量占纳米级碳包覆Mo-Mo2C的异质纳米粒子和CdS总质量的10％～15％。
10.权利要求6-9任一项所述的一种复合催化剂在光催化产氢或光催化重整甲酸产氢中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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