CN117225452B - 一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117225452B CN117225452B CN202311529663.8A CN202311529663A CN117225452B CN 117225452 B CN117225452 B CN 117225452B CN 202311529663 A CN202311529663 A CN 202311529663A CN 117225452 B CN117225452 B CN 117225452B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photo
- tin
- hollow structure
- thermal
- tetraethyl orthosilicate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 92
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 30
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 27
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical group [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 78
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 51
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 39
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 37
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 32
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 26
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 26
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 25
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 22
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 claims description 21
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 claims description 16
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 14
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 12
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 12
- 229920002153 Hydroxypropyl cellulose Polymers 0.000 claims description 10
- 239000001863 hydroxypropyl cellulose Substances 0.000 claims description 10
- 235000010977 hydroxypropyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 10
- 125000000484 butyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 claims description 9
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 9
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 9
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 8
- FPCJKVGGYOAWIZ-UHFFFAOYSA-N butan-1-ol;titanium Chemical compound [Ti].CCCCO.CCCCO.CCCCO.CCCCO FPCJKVGGYOAWIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 11
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 abstract description 11
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 8
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 abstract description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 19
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 12
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 description 10
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 6
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 2
- 238000000731 high angular annular dark-field scanning transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 229910001453 nickel ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N Sodium cation Chemical compound [Na+] FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000554 physical therapy Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明公开了一种中空结构TiN‑Ni光热催化剂及其制备方法和应用，涉及光热催化技术领域。该材料是以氮化钛作为载体负载非贵金属镍的光热催化剂，具有中空结构，内部直径为200‑400 nm，壳层厚度20‑30 nm，Ni颗粒均匀负载在中空TiN结构表面。所述制备方法是通过离子交换法在中空结构TiO2表面负载镍，再依次在空气和氨气中高温处理得到中空结构TiN‑Ni光热催化剂，该催化剂可高效用于太阳能的光热转换，且在光热催化还原二氧化碳反应中表现出优异的催化活性和一氧化碳高选择性。
Description
技术领域
本发明属于光热催化技术领域，具体涉及一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，光热催化由于催化剂对太阳光吸收范围宽、太阳光利用率高而收到广泛的关注，并在二氧化碳加氢反应中展现出了较大的应用前景。非贵金属材料具有优异的热催化二氧化碳加氢性能，且成本较低，然而其光热转换性能稍差，如何进一步提升其光热转换性能是实现其光热催化的关键。
氮化钛由于其局域表面等离子体共振效应而在可见、红外光区具有较好的吸收能力，且具备优异的光热转换性能，已在光热理疗、太阳能海水淡化等方面得到应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是非贵金属催化剂光热转换性能的增强，提供一种中空结构TiN-Ni光热催化剂，通过离子交换法在中空结构TiO2表面负载镍，进而在氨气中高温处理得到中空结构TiN-Ni光热催化剂，利用空心结构与入射光的米氏共振效应以及氮化钛自身的局域表面等离子体共振增强催化剂的光热转换性能。
本发明的另一目的在于提供一种中空结构TiN-Ni光热催化剂制备方法。
本发明的再一目的是提供一种中空结构TiN-Ni光热催化剂在光热催化还原二氧化碳中的应用。
实现本发明目的（1）的技术解决方案为：一种中空结构TiN-Ni光热催化剂，其是以氮化钛作为载体负载非贵金属镍的光热催化剂，具有中空结构，内部直径为200-400 nm，壳层厚度20-30 nm，Ni颗粒均匀负载在中空TiN结构表面。
实现本发明目的（2）的技术解决方案为：一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，所述方法包括以下具体步骤：
步骤1、正硅酸四乙酯、无水乙醇、去离子水、以及氨水混合搅拌数小时后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将步骤1得到的SiO2模板微球分散在适量的无水乙醇中，并加入一定体积的乙腈、适量的羟丙基纤维素和氨水，随后加入钛酸丁酯-乙醇-乙腈的混合溶液，搅拌数小时后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将步骤2得到的SiO2@TiO2核壳结构材料分散到一定体积的去离子水中，加入适量的NaOH溶液，搅拌一定时间后离心，所得产物分散在去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入一定体积的氯化镍溶液，搅拌数小时后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中高温处理4小时，随后，在氨气气氛中高温处理4小时；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在一定浓度的氢氧化钠溶液中，90±5 oC下回流3.5~4.5小时除去SiO2模板微球，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。
较佳的，步骤1中，无水乙醇与正硅酸四乙酯的体积比为20:1~30:1，去离子水与正硅酸四乙酯的体积比为1.5:1~3:1，浓氨水的质量浓度为26%~28%，其与正硅酸四乙酯的体积比为0.8:1~1.2:1，搅拌时间4-6小时。
较佳的，步骤2中，所述的无水乙醇与步骤1所述的正硅酸四乙酯的体积比为20:1~30:1，乙腈与正硅酸四乙酯的体积比为7:1~9:1；羟丙基纤维素的质量与正硅酸四乙酯的体积之比为50 mg : 1 mL~60 mg : 1 mL；氨水与正硅酸四乙酯的体积之比为0.2:1 ~ 0.4:1；钛酸丁酯-乙醇-乙腈混合溶液中钛酸丁酯、乙醇、乙腈三者体积比为1:3:1，且混合溶液中的钛酸丁酯与步骤1所述的正硅酸四乙酯的体积比为1:1~1.5:1，搅拌时间为2小时。
较佳的，步骤3中，所述的NaOH溶液浓度为2.0-3.0 mol/L，其与步骤1所述的正硅酸四乙酯的体积比为1:1~2:1，搅拌时间0.5-1.0小时。
较佳的，步骤4中，所述的氯化镍溶液浓度为0.5-1.0 mol/L，其与步骤1所述的正硅酸四乙酯的体积比为1:1~2:1，搅拌时间为12-24小时。
较佳的，步骤5中，空气气氛中高温处理的温度为500-600 oC，氨气气氛中高温处理的温度为800-1000 oC。
较佳的，步骤6中，所述的氢氧化钠溶液浓度为0.1~1 mol/L。
实现本发明目的（3）的技术解决方案为：中空结构TiN-Ni光热催化剂在光热催化还原二氧化碳中的应用，利用该TiN-Ni光热催化剂的空心结构与入射光的米氏共振效应以及氮化钛自身的局域表面等离子体共振增强所述TiN-Ni催化剂的光热转换性能，实现光热催化还原二氧化碳。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）给出了一种简单的离子交换法和高温处理过程合成中空结构TiN-Ni光热催化剂，该方法所用原料易得、价格便宜，可大规模合成；（2）TiN在可见和红外光区具有明显局域表面等离子体共振效应，可有效吸收太阳光，并转换成热能，利于非贵金属催化体系光热转换；（3）空心纳米结构与入射光相互作用，具有特殊的米氏共振效应，可使催化剂周围入射电场增强数倍，调控空心结构尺寸使其米氏共振波长处于可见光至红外光波段有利于增强体系对入射太阳光的利用率，从而进一步提升光热转换性能。
附图说明
图1为实施例1所合成中空结构TiN-Ni光热催化剂的透射电子显微镜图。
图2为实施例1所合成中空结构TiN-Ni光热催化剂形貌及Ni元素分布图，其中，（a）HAADF-STEM图像；（b）相应的Ni元素面分布图。
图3为实施例1所合成TiN-Ni光热催化剂红外相机温度分布图，其中，（a）中空结构TiN-Ni光热催化剂光热转换温度图；（b）研磨后TiN-Ni纳米颗粒光热催化剂光热转换温度图。
图4为实施例1所合成中空结构TiN-Ni光热催化剂催化还原二氧化碳性能图。
图5为实施例2-6所合成中空结构TiN-Ni光热催化剂催化还原二氧化碳性能图，其中，（a）实施例2-6所合成中空结构TiN-Ni光热催化还原二氧化碳活性对比；（b）实施例2-6所合成中空结构TiN-Ni光热催化还原二氧化碳生成一氧化碳的选择性。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明所述技术方案进行详细描述。
本发明利用氮化钛作为载体负载非贵金属镍催化剂，利用氮化钛优异的局域等离子体共振效应和其自身光热性能提升催化剂的光热转换性能；另一方面，空心纳米结构与入射太阳光相互作用具有特殊的米氏共振效应，该共振效应可有效增强材料周围的电场强度，当米氏共振波长与TiN和Ni的光吸收范围相匹配时有利于太阳光的进一步利用。
本发明的原理是：无定型二氧化钛经氢氧化钠处理后表面的钠离子可与其他离子进行交换，利用其与镍离子的离子交换使镍离子负载到表面，再通过空气气氛中高温处理得到锐钛矿TiO2，再通过氨气气氛高温处理氮化还原以及模板刻蚀得到所述的中空结构TiN-Ni光热催化剂。氢氧化钠在制备中空结构TiN-Ni光热催化剂中的作用是：（1）部分刻蚀SiO2微球模板，使得SiO2微球与表面包覆的TiO2之间存在一定空隙，便于后续高温处理时颗粒的结晶、生长，从而能够维持空心结构；（2）氢氧化钠处理TiO2表面，形成Ti-O-Na+，从而后续离子交换时Ni2+能作用到TiO2表面。因此，不加氢氧化钠处理，无法得到空心结构，且无法通过离子交换使Ni2+很好地作用到TiO2表面。此外，TiN和Ni的光热转换主要是利用太阳光中的可见光和红外光，为充分提高对入射太阳光的利用率，本发明利用空心结构与入射太阳光的米氏共振效应增强入射光在催化剂材料周围的电场强度，且通过调控空心结构的尺寸使其米氏共振波长在可见光至红外光范围内。依据米氏理论，TiN空心结构优化的尺寸为内部直径200-400 nm，壳层厚度20-30 nm。本发明中利用SiO2微球模板尺寸调控最终的中空结构TiN-Ni光热催化剂内部直径为200-400 nm，利用前驱体钛酸丁酯的量调控中空结构壳层的厚度为20-30 nm。
本发明制备的光热催化测试在常压流动反应器中进行，以300W氙灯为光源，CO2、H2和N2的流速比例1:1:2，反应压力为一个大气压，采用在线气相色谱检测反应产物的种类和浓度。
实施例1：
一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1、1.0 mL正硅酸四乙酯、20 mL无水乙醇、1.6 mL去离子水、以及0.8 mL氨水混合搅拌6小时后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将步骤1得到的SiO2分散在20 mL无水乙醇中，并加入7 mL乙腈、50 mg羟丙基纤维素和0.2 mL氨水，随后加入1 mL钛酸丁酯-3 mL乙醇-1 mL乙腈的混合溶液，搅拌2小时后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将步骤2得到的SiO2@TiO2核壳结构材料分散到20 mL的去离子水中，加入1mL 2.5 mol/L NaOH溶液，搅拌0.5小时后离心，所得产物分散在10 mL去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入2 mL 0.5 mol/L的氯化镍溶液，搅拌12小时后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中600 oC处理4小时；随后，在氨气气氛中900oC高温处理4小时；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在30 mL 0.1 mol/L的氢氧化钠溶液中，90oC下回流4小时除去SiO2微球模板，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。
其透射电子显微镜图如图1所示，所制备的TiN-Ni材料为中空结构，内部直径为240 nm，壳层厚度25 nm；HAADF-STEM图像及Ni元素分布如图2所示，Ni纳米颗粒均匀分布在中空结构表面；图3中的（a）为所合成中空结构TiN-Ni光热催化剂红外相机表征图，在模拟太阳光照射下，中空结构材料表面温度可升至361.9 oC，表明其具有优异的光热性能。利用玛瑙研钵研磨中空结构TiN-Ni材料，可破坏其中空结构，得到无规则形貌的纳米颗粒，其光热转换红外相机表征图如图3中的（b）所示，纳米颗粒表面温度可升至311.9 oC，与中空结构TiN-Ni相比，光热转换温度降低了50 oC，说明中空结构对于光热转化性能提升的重要性，其原理源于中空结构与入射光的米氏共振效应，光学共振作用使得中空结构表面的入射电场得到有效增强，从而大大提升了入射光的利用率，对于增强其光热转换具有重要的作用。
将所制备的中空结构TiN-Ni光热催化剂用于光热催化还原二氧化碳，具体应用条件如下：称取20 mg中空结构TiN-Ni光热催化剂分散到10 mL水中，将其均匀喷涂到直径5cm的玻纤滤纸上并置于光热催化反应器中，光热催化测试在常压流动反应器中进行，以300W氙灯为光源，CO2、H2和N2的流速比例1:1:2，反应压力为一个大气压，采用在线气相色谱检测反应产物的种类和浓度。其光热催化性能和一氧化碳选择性如图4所示，结果表明其在模拟太阳光照射下可有效催化还原二氧化碳，且生成一氧化碳的选择性在96%以上。同理，将研磨后的TiN-Ni纳米颗粒应用于同条件下的光热催化还原二氧化碳，其催化活性约为中空结构TiN-Ni光热催化剂的70%，生成一氧化碳的选择性在94%以上.
实施例2：
一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1、1.0 mL正硅酸四乙酯、30 mL无水乙醇、3.0 mL去离子水、以及1.2 mL氨水混合搅拌6小时后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将步骤1得到的SiO2分散在30 mL无水乙醇中，并加入9 mL乙腈、60 mg羟丙基纤维素和0.4 mL氨水，随后加入1.5 mL钛酸丁酯-4.5 mL乙醇-1.5 mL乙腈的混合溶液，搅拌2小时后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将步骤2得到的SiO2@TiO2核壳结构材料分散到20 mL的去离子水中，加入2mL 3.0 mol/L NaOH溶液，搅拌1小时后离心，所得产物分散在10 mL去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入2 mL 1.0 mol/L的氯化镍溶液，搅拌24小时后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中600 oC处理4小时；随后，在氨气气氛中1000 oC高温处理4小时；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在30 mL 1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中，95oC下回流4.5小时除去SiO2微球模板，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。
催化剂相关表征显示所制备的TiN-Ni材料为中空结构，内部直径为400 nm，壳层厚度为30 nm，Ni纳米颗粒均匀分布在中空结构表面。在相同实验条件下，用于光热催化还原二氧化碳，具有优异的二氧化碳转化率和一氧化碳产物选择性（结果如图5所示）。
实施例3：
一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1、1.0 mL正硅酸四乙酯、20 mL无水乙醇、1.5 mL去离子水、以及0.8 mL氨水混合搅拌4小时后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将步骤1得到的SiO2分散在20 mL无水乙醇中，并加入7 mL乙腈、50 mg羟丙基纤维素和0.2 mL氨水，随后加入1 mL钛酸丁酯-3 mL乙醇-1 mL乙腈的混合溶液，搅拌2小时后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将步骤2得到的SiO2@TiO2核壳结构材料分散到20 mL的去离子水中，加入1mL 2.0 mol/L NaOH溶液，搅拌0.5小时后离心，所得产物分散在10 mL去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入1 mL 0.5 mol/L的氯化镍溶液，搅拌12小时后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中500 oC处理4小时；随后，在氨气气氛中800oC高温处理4小时；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在30 mL 0.1 mol/L的氢氧化钠溶液中，85oC下回流3.5小时除去SiO2微球模板，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。
催化剂相关表征显示所制备的TiN-Ni材料为中空结构，内部直径为200 nm，壳层厚度为20 nm，Ni纳米颗粒均匀分布在中空结构表面。在相同实验条件下，用于光热催化还原二氧化碳，具有优异的二氧化碳转化率和一氧化碳产物选择性（结果如图5所示）。
实施例4：
一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1、1.0 mL正硅酸四乙酯、25 mL无水乙醇、2.0 mL去离子水、以及1.0 mL氨水混合搅拌5小时后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将步骤1得到的SiO2分散在25 mL无水乙醇中，并加入8 mL乙腈、55 mg羟丙基纤维素和0.3 mL氨水，随后加入1.2 mL钛酸丁酯-3.6 mL乙醇-1.2 mL乙腈的混合溶液，搅拌2小时后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将步骤2得到的SiO2@TiO2核壳结构材料分散到20 mL的去离子水中，加入1.5 mL 2.5 mol/L NaOH溶液，搅拌0.8小时后离心，所得产物分散在10 mL去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入1.5 mL 0.8 mol/L的氯化镍溶液，搅拌18小时后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中550 oC处理4小时；随后，在氨气气氛中900oC高温处理4小时；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在30 mL 0.5 mol/L的氢氧化钠溶液中，90oC下回流4小时除去SiO2微球模板，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。催化剂相关表征显示所制备的TiN-Ni材料为中空结构，内部直径为280 nm，壳层厚度为24nm，Ni纳米颗粒均匀分布在中空结构表面。在相同实验条件下，用于光热催化还原二氧化碳，具有优异的二氧化碳转化率和一氧化碳产物选择性（结果如图5所示）。
实施例5：
一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1、1.0 mL正硅酸四乙酯、30 mL无水乙醇、1.5 mL去离子水、以及1.2mL氨水混合搅拌5小时后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将步骤1得到的SiO2分散在30 mL无水乙醇中，并加入9 mL乙腈、50 mg羟丙基纤维素和0.3 mL氨水，随后加入1 mL钛酸丁酯-3 mL乙醇-1 mL乙腈的混合溶液，搅拌2小时后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将步骤2得到的SiO2@TiO2核壳结构材料分散到20 mL的去离子水中，加入1mL 3.0 mol/L NaOH溶液，搅拌1.0小时后离心，所得产物分散在10 mL去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入1 mL 1.0 mol/L的氯化镍溶液，搅拌20小时后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中600 oC处理4小时；随后，在氨气气氛中800oC高温处理4小时；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在30 mL 0.8 mol/L的氢氧化钠溶液中，90oC下回流3.5小时除去SiO2微球模板，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。
催化剂相关表征显示所制备的TiN-Ni材料为中空结构，内部直径为350 nm，壳层厚度为22 nm，Ni纳米颗粒均匀分布在中空结构表面。在相同实验条件下，用于光热催化还原二氧化碳，具有优异的二氧化碳转化率和一氧化碳产物选择性（结果如图5所示）。
实施例6：
一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1、1.0 mL正硅酸四乙酯、20 mL无水乙醇、1.5 mL去离子水、以及1.2 mL氨水混合搅拌4小时后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将步骤1得到的SiO2分散在20 mL无水乙醇中，并加入7 mL乙腈、60 mg羟丙基纤维素和0.4 mL氨水，随后加入1 mL钛酸丁酯-3 mL乙醇-1 mL乙腈的混合溶液，搅拌2小时后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将步骤2得到的SiO2@TiO2核壳结构材料分散到20 mL的去离子水中，加入1mL 2.0 mol/L NaOH溶液，搅拌0.8小时后离心，所得产物分散在10 mL去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入1 mL 1.0 mol/L的氯化镍溶液，搅拌16小时后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中500 oC处理4小时；随后，在氨气气氛中900oC高温处理4小时；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在30 mL 0.6 mol/L的氢氧化钠溶液中，95oC下回流4小时除去SiO2微球模板，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。
催化剂相关表征显示所制备的TiN-Ni材料为中空结构，内部直径为320 nm，壳层厚度为25 nm，Ni纳米颗粒均匀分布在中空结构表面。在相同实验条件下，用于光热催化还原二氧化碳，具有优异的二氧化碳转化率和一氧化碳产物选择性（结果如图5所示）。
从以上实施过程可知，通过离子交换和高温处理等过程可将非贵金属镍纳米颗粒均匀负载到TiN中空结构上，利用中空结构独特的米氏共振效应以及TiN自身的局域表面等离子体共振有效增强光热催化剂的光热转换性能，且在光热催化还原二氧化碳方面展现出优异的催化活性和一氧化碳高选择性。本发明提供的一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用，有望为二氧化碳还原高活性催化剂的设计提供一种有效的思路，并在二氧化碳资源化转化中发挥重要作用。
Claims (10)
1.一种中空结构TiN-Ni光热催化剂，其特征在于，其是以氮化钛作为载体负载金属镍的光热催化剂，具有中空结构，内部直径为200-400 nm，壳层厚度20-30 nm，Ni颗粒均匀负载在中空TiN结构表面，所述的中空结构为球形中空结构。
2.一种中空结构TiN-Ni光热催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将正硅酸四乙酯、无水乙醇、去离子水、浓氨水混合搅拌后离心洗涤，得到SiO2模板微球；
步骤2、将SiO2模板微球分散在无水乙醇中，并加入乙腈、羟丙基纤维素和浓氨水，随后加入钛酸丁酯-乙醇-乙腈的混合溶液，搅拌一段时间后离心洗涤，得到SiO2@TiO2核壳结构材料；
步骤3、将SiO2@TiO2核壳结构材料分散到去离子水中，加入NaOH溶液，搅拌一定时间后离心，所得产物分散在去离子水中；
步骤4、向步骤3所得悬浮液中加入氯化镍溶液，搅拌一段时间后离心洗涤，干燥；
步骤5、将步骤4所得产物在空气气氛中高温处理一段时间；随后，在氨气气氛中高温处理一段时间；
步骤6、将步骤5高温处理后的样品分散在氢氧化钠溶液中，回流反应一段时间后除去SiO2微球模板，离心洗涤、干燥后即得到中空结构TiN-Ni光热催化剂。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，乙醇与正硅酸四乙酯的体积比为20:1~30:1，去离子水与正硅酸四乙酯的体积比为1.5:1~3:1，浓氨水的质量浓度为26%~28%，浓氨水与正硅酸四乙酯的体积比为0.8:1~1.2:1，混合搅拌时间为4-6小时。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，无水乙醇与步骤1中所述的正硅酸四乙酯的体积比为20:1~30:1，乙腈与步骤1中所述的正硅酸四乙酯的体积比为7:1~9:1；羟丙基纤维素的质量与步骤1中所述的正硅酸四乙酯的体积之比为50 mg : 1 mL~60 mg : 1mL，浓氨水与步骤1中所述的正硅酸四乙酯的体积之比为0.2:1 ~ 0.4:1；钛酸丁酯-乙醇-乙腈的混合溶液中三者体积比为1:3:1，其中的钛酸丁酯与步骤1中所述的正硅酸四乙酯的体积比为1:1~1.5:1，搅拌时间为2小时。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中， NaOH溶液的浓度为2.0-3.0 mol/L，NaOH溶液与步骤1中所述的正硅酸四乙酯的体积比为1:1~2:1，搅拌时间为0.5-1.0小时。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4中，氯化镍溶液的浓度为0.5-1.0 mol/L，氯化镍溶液与步骤1中所述的正硅酸四乙酯的体积比为1:1~2:1，搅拌时间为12-24小时。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中，在空气气氛中于500-600 oC高温处理4h；在氨气气氛中于800-1000 oC高温处理4h。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤6中，氢氧化钠溶液的浓度为0.1~1 mol/L；90±5 oC下回流反应3.5~4.5h。
9.如权利要求1所述的中空结构TiN-Ni光热催化剂在光热催化还原二氧化碳中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，在入射光作用下，利用所述TiN-Ni光热催化剂的空心结构与入射光的米氏共振效应以及TiN自身的局域表面等离子体共振增强所述TiN-Ni光热催化剂的光热转换性能，实现光热催化还原二氧化碳。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311529663.8A CN117225452B (zh) | 2023-11-16 | 2023-11-16 | 一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311529663.8A CN117225452B (zh) | 2023-11-16 | 2023-11-16 | 一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117225452A CN117225452A (zh) | 2023-12-15 |
| CN117225452B true CN117225452B (zh) | 2024-02-02 |
Family
ID=89097082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311529663.8A Active CN117225452B (zh) | 2023-11-16 | 2023-11-16 | 一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117225452B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107867720A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-03 | 常熟理工学院 | 单分散空心结构紫色TiO2材料及制备方法 |
| CN107867718A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-03 | 常熟理工学院 | 单分散空心结构蓝色TiO2材料及制备方法 |
| CN107879374A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-06 | 常熟理工学院 | 单分散空心结构绿色TiO2材料及制备方法 |
| CN113649045A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-16 | 广东工业大学 | 一种以Ni-MOF为前驱体的改性氮化钛纳米管及其制备方法和应用 |
| WO2021258596A1 (zh) * | 2020-06-24 | 2021-12-30 | 华南理工大学 | 一种Pt/TiN高效光热协同催化剂及其制备方法与应用 |
-
2023
- 2023-11-16 CN CN202311529663.8A patent/CN117225452B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107867720A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-03 | 常熟理工学院 | 单分散空心结构紫色TiO2材料及制备方法 |
| CN107867718A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-03 | 常熟理工学院 | 单分散空心结构蓝色TiO2材料及制备方法 |
| CN107879374A (zh) * | 2017-09-30 | 2018-04-06 | 常熟理工学院 | 单分散空心结构绿色TiO2材料及制备方法 |
| WO2021258596A1 (zh) * | 2020-06-24 | 2021-12-30 | 华南理工大学 | 一种Pt/TiN高效光热协同催化剂及其制备方法与应用 |
| CN113649045A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-16 | 广东工业大学 | 一种以Ni-MOF为前驱体的改性氮化钛纳米管及其制备方法和应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117225452A (zh) | 2023-12-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108144635B (zh) | 一种石墨相氮化碳-硫化镉复合材料的制备方法 | |
| CN107686120B (zh) | 一种聚集太阳能催化合成氨的方法及其催化剂 | |
| CN108067281B (zh) | 多孔g-C3N4光催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN100542969C (zh) | 一种经高温处理的锐钛矿相氧化钛纳米颗粒的制备方法 | |
| CN106799244A (zh) | 一种三元复合光催化剂的制备方法和用途 | |
| CN111822027B (zh) | 二氧化钛包覆氮化碳复合光催化材料的制备方法 | |
| CN111482169B (zh) | 负载贵金属的纳米光催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN107282083B (zh) | 一种硅锌掺杂的石墨相氮化碳纳米材料及其在光催化还原中的应用 | |
| CN108579775B (zh) | 一种磷酸银/银/二氧化钛纳米花复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN108906038B (zh) | 一种Au-TiO2蛋黄结构纳米复合材料及其制备方法 | |
| CN109158114B (zh) | 一种一步法制备CdS@C复合光催化剂的方法 | |
| CN111974436B (zh) | 一种石墨相氮化碳及其制备方法、以及光催化水产氢的方法 | |
| CN103521205A (zh) | 一种制备高光催化活性核壳结构TiO2材料的方法 | |
| CN109107598A (zh) | 一种具有高光催化性能的h-BN/TiO2复合材料的制备方法 | |
| CN117225452B (zh) | 一种中空结构TiN-Ni光热催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN109499597A (zh) | 一种多孔二氧化钛/氮化碳纳米颗粒复合材料的制备方法 | |
| CN108525651A (zh) | 一种具有高光催化活性的还原二氧化钛制备方法 | |
| WO2023241152A1 (zh) | 一种空心氮掺杂碳包裹二氧化钛光催化剂的制备方法 | |
| CN110102326B (zh) | 一种纳米金负载多孔炭改性氮化碳复合光催化材料及其制备方法与应用 | |
| CN110142042B (zh) | 一种RGO/TiO2/Ag气凝胶型光催化剂的制备方法和应用 | |
| CN116371433A (zh) | 一种花球状TiO2/BiOBr核壳结构异质结材料及其制备方法、应用 | |
| CN114452998B (zh) | 一种多壁碳纳米管和石墨化氮化碳复合材料的制备方法及应用 | |
| CN107376951B (zh) | 一种太阳光催化多孔玻璃及其制备方法 | |
| CN113304742B (zh) | 一种活性炭负载Ti3+自掺杂TiO2光催化材料制备方法 | |
| CN114570378A (zh) | CeO2包覆Ni的纳米管光热复合催化剂及制法和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |