CN115475634A - 降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境技术领域，具体公开了降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，通过将PbBr2加入到含有介孔SnO2微球、油酸,油胺和十八烯的混合溶液中；注入Cs前驱体，并采用冰水浴将混合物快速冷却；最后将反应物离心洗涤，真空干燥，得到核壳结构的CsPbBr3@SnO2光催化剂，所述CsPbBr3@SnO2光催化剂由CsPbBr3纳米晶和介孔SnO2微球组成，且CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球的介孔孔道中，两种物质界面形成异质结结构，既能够有效提高CsPbBr3纳米晶的稳定性，还能够提高其电荷分离效率，从而得到稳定高效的光催化剂用于还原二氧化碳，降低环境中的二氧化碳排放，同时该方法操作简单，可控性强，容易实现规模化生产。
Description
技术领域
本发明通过构建核壳结构光催化剂用于降低环境中中的二氧化碳排放，具体涉及一种通过原位生长法将CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球中构建核壳结构光催化剂，属于环境技术领域，具体涉及降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法。
背景技术
随着人类社会的快速发展，导致大气层中CO2等温室气体的含量急剧增长，地球臭氧层正遭受前所未有的危机，并引发了严重的气候问题。全球灾难性气候变化屡屡出现的今天，“低碳环保”以成为当今的主题，温室气体减排研究已经成为国际众多科学领域的一项重要议题。当前世界正处在一个由“高碳”向“低碳”的重大转型期。温室气体浓度升高，是全球性的生态危机，是全球气候变暖的主要原因。世界需要一个从对环境破坏很大的生产模式转化为对环境友好、能保护生物多样性和民生的生态模式。
利用人工光合作用将CO2还原为高附加值的碳氢燃料被认为是一种科学、绿色的方法。该方法不仅能有效解决温室效应等环境问题，而且能够缓解能源危机。然而CO2分子在热力学和动力学上极其稳定，难以活化，因此寻找合适的光催化剂将有助于CO2光还原。近年来，CsPbBr3纳米晶由于出色的光电特性而被广泛应用，如发光二极管、太阳能电池、半导体激光器等。最近，CsPbBr3纳米晶因其合适的能带位置和较宽的可见光吸收范围也被用于CO2光还原。然而，单一组分的CsPbBr3纳米晶辐射复合严重，导致其具有低的光还原效率，加上固有的离子缺陷使其十分不稳定，因此阻碍了其实际应用。因此，迫切需要开发兼具稳定性和较高电荷分离效率的CsPbBr3基光催化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，通过将CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球中，得到的一种新型的核壳结构CsPbBr3@SnO2光催化剂，既能够有效提高CsPbBr3纳米晶的稳定性，还能够提高其电荷分离效率，从而得到稳定高效的光催化剂用于还原二氧化碳，降低环境中的二氧化碳排放，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
S1、在氩气气氛下，将介孔SnO2微球加入到含有1mL油酸、1mL油胺和10mL十八烯的三颈烧瓶中，得到混合液，将混合液的温度升至120℃并保温30min；
S2、将PbBr2加入到S1中混合液中，将温度继续升至160℃并保温30min，得到溶液；
S3、在三颈烧瓶中加入Cs前驱体与S2所得的溶液中，5s之后将三颈烧瓶放置于冰水浴中结束反应，将产物离心洗涤并真空干燥，得到核壳结构的CsPbBr3@SnO2光催化剂。
优选的，在步骤S1中，所述介孔SnO2微球的制备具体包括以下步骤，将1mmolSnCl2加入到45mL乙醇中，磁力搅拌30min使其充分溶解，然后加入5mL乙酸。继续搅拌30min后，得到液体，并将液体移至100mL的水热釜中，在200℃下保温20h，将所得的沉淀离心洗涤之后，在60℃下干燥12h，得到介孔SnO2微球。
优选的，在步骤S1中，所述介孔SnO2微球的加入量为20-100mg，步骤S2中所述PbBr2的加入量为10-60mg。
优选的，步骤S3中所述CsPbBr3@SnO2光催化剂制备时离心洗涤的转速为8000-10000r/min，洗涤时间为10min，干燥的温度为60-80℃，干燥时间为8-12h。
优选的，所述CsPbBr3@SnO2光催化剂采用透射电子显微镜观察的形貌表征为保留了SnO2的微球结构，CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球的孔隙中，两种物质界面形成异质核壳结构。
优选的，所述CsPbBr3@SnO2光催化剂在相同条件下进行光电流测试，CsPbBr3@SnO2的光电流明显高于单纯的CsPbBr3纳米晶，表明和SnO2复合形成异质结后，材料的电荷分离效率得到了有效的提高。
优选的，所述CsPbBr3@SnO2光催化剂用于还原二氧化碳，具体步骤为：将8mg所得的CsPbBr3@SnO2核壳结构光催化剂、100μL去离子水和30mL乙腈加入到密封的耐热玻璃瓶中，完全抽真空以去除瓶内的空气，再注入CO2，然后用300W氙灯照射密封系统，光照强度为150mWcm-2。每隔一个小时取样一次，利用气相色谱仪检测CO2的浓度。
优选的，所述CsPbBr3@SnO2光催化剂和单纯CsPbBr3纳米晶分别进行光照反应6h后，可以将CO2的浓度降低至刚开始的71.3％，而以单纯的CsPbBr3纳米晶为光催化剂时，CO2的浓度在相同时间下降低为初始值的94.2％，由此表明了所得的CsPbBr3@SnO2光催化剂具有更好的CO2减排效果。
优选的，在步骤S3中，所述Cs前驱体的制备具体包括以下步骤：将0.8gCs2CO3、2.5mL油酸和30mL十八烯放入50mL的三颈瓶中组成混合溶液，并在130℃氩气流下脱气1h，随后将反应温度升至150℃，保温至少30min，直到所有的Cs2CO3与油酸反应，得到Cs前驱体。
本发明提出的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明通过将CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球中，得到的一种新型的核壳结构CsPbBr3@SnO2光催化剂，既能够有效提高CsPbBr3纳米晶的稳定性，还能够提高其电荷分离效率，从而得到稳定高效的光催化剂用于还原二氧化碳，降低环境中的二氧化碳排放；同时该方法操作简单，可控性强，容易实现规模化生产。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的实施例1得到的CsPbBr3@SnO2光催化剂的透射电子显微镜(TEM)照片图；
图3为本发明的实施例1得到的CsPbBr3@SnO2光催化剂和单纯CsPbBr3纳米晶、单纯SnO2在模拟太阳光下的光电流对比图；
图4为本发明的实施例1得到的CsPbBr3@SnO2光催化剂在光催化还原CO2前后的X射线衍射(XRD)图谱对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供了降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、在氩气气氛下，将介孔SnO2微球加入到含有1mL油酸,1mL油胺和10mL十八烯的三颈烧瓶中，得到混合液，将混合液的温度升至120℃并保温30min；
所述介孔SnO2微球的制备具体包括以下步骤：将1mmolSnCl2加入到45mL乙醇中，磁力搅拌30min使其充分溶解，然后加入5mL乙酸。继续搅拌30min后，得到液体，将液体转移至100mL的水热釜中，在200℃下保温20h，将所得的沉淀离心洗涤之后，在60℃下干燥12h，得到介孔SnO2微球。
所述介孔SnO2微球的加入量为100mg，光催化性能测试表明：本实施例所获得的CsPbBr3@SnO2核壳结构光催化剂在相同条件下可以将CO2的浓度降低至刚开始的90.3％，所获材料的光催化性能有所下降。
SnO2作为一种具有宽带隙的n型半导体材料，具有优良的光、电和电化学性质，是理想的半导体光催化剂之一，其低毒性和低成本也使其成为一种潜在的可见光催化剂。同时SnO2具有良好的稳定性，其与CsPbBr3具有交错的能级结构，因此通过将CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球中，设计一种新型的核壳结构CsPbBr3@SnO2光催化剂，既能够有效提高CsPbBr3纳米晶的稳定性，还能够提高其电荷分离效率，从而得到稳定高效的光催化剂用于还原二氧化碳，降低环境中的二氧化碳排放。
S2、将PbBr2加入到S1中混合液中，将温度继续升至160℃并保温30min，得到溶液，所述PbBr2的加入量为10mg；
S3、在三颈烧瓶中加入Cs前驱体与S2所得的溶液，5s之后将三颈烧瓶放置于冰水浴中结束反应，将产物离心洗涤并真空干燥，得到核壳结构的CsPbBr3@SnO2光催化剂；
所述CsPbBr3@SnO2光催化剂制备时离心洗涤的转速为8000-10000r/min，洗涤时间为10min，干燥的温度为60-80℃，干燥时间为8-12h。
所述CsPbBr3@SnO2光催化剂采用透射电子显微镜观察的形貌表征为保留了SnO2的微球结构，CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球的孔隙中，两种物质界面形成异质核壳结构，使用的透射电子显微镜为FEI trcnaiG2F30，美国FEI公司，所观察到的形貌如图2所示。
所述CsPbBr3@SnO2光催化剂在相同条件下进行光电流测试，CsPbBr3@SnO2的光电流明显高于单纯的CsPbBr3纳米晶，表明和SnO2复合形成异质结后，材料的电荷分离效率得到了有效的提高，光电流测试是通过电化学工作站(CHI 650E，上海辰华)对上述所得的CsPbBr3@SnO2复合材料进行光电流测试，所得的实验结果如图3所示。
所述CsPbBr3@SnO2光催化剂用于还原二氧化碳，具体步骤为：将8mg所得的CsPbBr3@SnO2核壳结构光催化剂、100μL去离子水和30mL乙腈加入到密封的耐热玻璃瓶中，完全抽真空以去除瓶内的空气，再注入CO2，然后用300W氙灯照射密封系统，光照强度为150mWcm-2，每隔一个小时取样一次，利用气相色谱仪检测CO2的浓度。
所述CsPbBr3@SnO2光催化剂和单纯CsPbBr3纳米晶分别进行光照反应6h后，可以将CO2的浓度降低至刚开始的71.3％，而以单纯的CsPbBr3纳米晶为光催化剂时，CO2的浓度在相同时间下降低为初始值的94.2％，由此表明了所得的CsPbBr3@SnO2光催化剂具有更好的CO2减排效果。
所述Cs前驱体将0.8gCs2CO3,2.5mL油酸和30mL十八烯放入50mL的三颈瓶中组成混合溶液，并在130℃氩气流下脱气1h，随后将反应温度升至150℃，保温至少30min，直到所有的Cs2CO3与油酸反应，得到Cs前驱体。
利用X射线衍射仪(Rigaku Ultima IV，日本理学株式会社)对光催化反应前后的CsPbBr3@SnO2复合材料进行物相鉴定，所得的XRD图谱如图4所示，可以看到材料在光催化反应前后的物相没有明显的变化，表现出良好的稳定性。
实施例2
相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，介孔SnO2微球的加入量为75mg，光催化性能测试表明，所述PbBr2的加入量为30mg：本实施例所获得的CsPbBr3@SnO2核壳结构光催化剂在相同条件下可以将CO2的浓度降低至刚开始的85.1％，比实施例1所获材料的光催化性能有所下降。
实施例3
相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，介孔SnO2微球的加入量为33mg，光催化性能测试表明：所述PbBr2的加入量为60mg；本实施例所获得的CsPbBr3@SnO2核壳结构光催化剂在相同条件下可以将CO2的浓度降低至刚开始的79.8％，比实施例1所获材料的光催化性能有所下降。
本发明提供的一种核壳结构CsPbBr3@SnO2光催化剂，CsPbBr3纳米晶嵌入到具有丰富孔结构的SnO2微球中，使得材料具有良好的稳定性，同时具有优异的载流子分离效率和光催化活性，能够用于降低环境中的二氧化碳排放。所述制备方法简单，可控性强，容易实现规模化生产。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、在氩气气氛下，将介孔SnO2微球加入到含有1mL油酸、1mL油胺和10mL十八烯的三颈烧瓶中，得到混合液，将混合液的温度升至120℃并保温30min；
S2、将PbBr2加入到S1中混合液中，将温度继续升至160℃并保温30min，得到溶液；
S3、在三颈烧瓶中加入Cs前驱体与S2所得的溶液，5s之后将三颈烧瓶放置于冰水浴中结束反应，将产物离心洗涤并真空干燥，得到核壳结构的CsPbBr3@SnO2光催化剂。
2.根据权利要求1所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述介孔SnO2微球的制备具体包括以下步骤：将1mmolSnCl2加入到45mL乙醇中，磁力搅拌30min使其充分溶解，然后加入5mL乙酸，继续搅拌30min后，得到液体，并将液体转移至100mL的水热釜中，在200℃下保温20h，将所得的沉淀离心洗涤之后，在60℃下干燥12h，得到介孔SnO2微球。
3.根据权利要求2所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述介孔SnO2微球的加入量为20-100mg，步骤S2中所述PbBr2的加入量为10-60mg。
4.根据权利要求1所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述CsPbBr3@SnO2光催化剂制备时离心洗涤的转速为8000-10000r/min，洗涤时间为10min，干燥的温度为60-80℃，干燥时间为8-12h。
5.根据权利要求4所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：所述CsPbBr3@SnO2光催化剂采用透射电子显微镜观察的形貌表征为保留了SnO2的微球结构，CsPbBr3纳米晶嵌入到介孔SnO2微球的孔隙中，两种物质界面形成异质核壳结构。
6.根据权利要求5所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：所述CsPbBr3@SnO2光催化剂在相同条件下进行光电流测试，CsPbBr3@SnO2的光电流明显高于单纯的CsPbBr3纳米晶，表明和SnO2复合形成异质结后，材料的电荷分离效率得到了有效的提高。
7.根据权利要求6所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：所述CsPbBr3@SnO2光催化剂用于还原二氧化碳，具体步骤为：将8mg所得的CsPbBr3@SnO2核壳结构光催化剂、100μL去离子水和30mL乙腈加入到密封的耐热玻璃瓶中，完全抽真空以去除瓶内的空气，再注入CO2，然后用300W氙灯照射密封系统，光照强度为150mWcm-2，每隔一个小时取样一次，利用气相色谱仪检测CO2的浓度。
8.根据权利要求7所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：所述CsPbBr3@SnO2光催化剂和单纯CsPbBr3纳米晶分别进行光照反应6h后，可以将CO2的浓度降低至刚开始的71.3％，而以单纯的CsPbBr3纳米晶为光催化剂时，CO2的浓度在相同时间下降低为初始值的94.2％，由此表明了所得的CsPbBr3@SnO2光催化剂具有更好的CO2减排效果。
9.根据权利要求8所述的降低环境中二氧化碳排放的核壳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述Cs前驱体的制备具体包括以下步骤：将0.8gCs2CO3、2.5mL油酸和30mL十八烯放入50mL的三颈瓶中组成混合溶液，并在130℃氩气流下脱气1h，随后将反应温度升至150℃，保温至少30min，直到所有的Cs2CO3与油酸反应，得到Cs前驱体。
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