一种光解水产氢复合催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种光解水产氢复合催化剂及其制备方法，该复合催化剂为MoS2/Co‑g‑C3N4，是在g‑C3N4中掺杂Co和MoS2，其中，Co掺杂于g‑C3N4体相内，条状的纳米片MoS2负载于g‑C3N4表面。对其光催化产氢性能进行测试，发现复合催化剂MoS2/Co‑g‑C3N4的性能优异、稳定性好，其产氢量是为单体g‑C3N4的4.36倍。本发明专利技术通过简单的热缩聚法和超声浸渍法制备复合催化剂MoS2/Co‑g‑C3N4，实验过程简单，易于操作。

Photocatalytic hydrolysis hydrogen complex catalyst and preparation method thereof

The invention provides a composite catalyst for photolysis of water to produce hydrogen and a preparation method thereof. The composite catalyst is MoS2/Co_g_C3N4, which is doped with Co and Mo_2 in g_C3N4. Co is doped in the g_C3N4 bulk phase and strip-like nanosheet MoS2 is supported on the surface of g_C3N4. The photocatalytic hydrogen production performance of the composite catalyst MoS2/Co_g_C3N 4 was tested. It was found that the performance of the composite catalyst MoS2/Co_g_C3N 4 was excellent and its hydrogen yield was 4.36 times that of the monomer g_C3N 4. The composite catalyst MoS2/Co_g_C3N4 is prepared by simple thermal condensation method and ultrasonic impregnation method. The experimental process is simple and easy to operate.

【技术实现步骤摘要】
一种光解水产氢复合催化剂及其制备方法
本专利技术属于光催化产氢催化剂
，尤其涉及一种光解水产氢复合催化剂及其制备方法。
技术介绍
太阳能直接转化为氢是最理想的能源转化和存储方式。20世纪60年代末，日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体二氧化钛TiO2电极可导致水分解，使利用太阳能分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一。学者逐渐发现，除了利用二氧化钛(TiO2)之外，氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体同样可以光解水制氢。其中，硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子。TiO2以其廉价、无毒、氧化能力强、稳定性好等特点，成为目前研究最多和应用最广的半导体光催化剂之一。但是因其具有较大的禁带宽度(3.0～3.2eV)，只能在紫外光驱动下发生有效的光催化反应，而紫外光只占太阳能总能量的4％左右，这限制了TiO2在实际应用中对太阳能的大规模利用。因此设计研发新型、高效且具有可见光响应的光催化半导体材料是一个重要的研究方向。近年来的研究发现，石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型可见光响应的非金属光催化剂。g-C3N4是一种具有层状结构的稳定的碳氮非极性共价化合物，g-C3N4中C、N原子以sp2杂化形成高度离域的π共轭体系，与石墨类似的层状堆积结构，该物质有着良好的化学、热力学稳定性，有适宜的禁带宽度、制备方法简单且成本低，然而g-C3N4对可见光的吸收能力不足，导致单相g-C3N4光催化活性低、应用受到限制。元素掺杂、半导体复合构建g-C3N4的异质结等策略可以改善g-C3N4的光催化性能，提高其光催化反应效率。到目前为止，已经有各种金属掺杂以及半导体与g-C3N4复合为异质结催化剂，从而通过半导体之间的电荷转移促进光生电子与光生空穴的分离。目前最佳的助催化剂为贵金属Pt等，但是贵金属高昂的成本限制了其应用。为此，需要找到低成本、稳定性良好、能带结构与g-C3N4匹配的非贵金属助催化剂来解决此问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种光解水产氢复合催化剂及其制备方法，以MoS2复合Co掺杂的g-C3N4，以解决g-C3N4对可见光的吸收能力不足，光催化活性低的问题。为实现上述目的，本专利技术时通过以下技术方案来实现：一种光解水产氢复合催化剂MoS2/Co-g-C3N4，该复合催化剂是在g-C3N4中掺杂Co和MoS2，其中，Co掺杂于g-C3N4体相内，条状的纳米片MoS2负载于g-C3N4表面。以质量分数计，该复合催化剂中MoS2：Co：g-C3N4的比例为(1-8):(1-10):100。一种光解水产氢复合催化剂MoS2/Co-g-C3N4的制备方法，包括以下操作：1)将二氰二胺和钴源化合物溶于去离子水，得到原料液，其中Co：二氰二胺的质量比例为1-8：100；将所述原料液加热搅拌，充分混合；干燥后得到前驱体；将前驱体在空气气氛下，以2～4℃/min的加热速率升温至400～600℃，持续煅烧2～4h，得到Co掺杂的Co-g-C3N4；2)将Co-g-C3N4和MoS2纳米片溶于蒸馏水和乙醇的混合液中，其中MoS2：g-C3N4的质量比例为1-10:100；然后经超声处理，并离心洗涤，得到固体产物；将所得固体产物真空干燥；在惰性气氛下，以2～4℃/min升温速率从室温升至200～600℃并煅烧2～4h，得到MoS2/Co-g-C3N4复合催化剂。是将二氰二胺和醋酸钴溶于去离子水和乙醇的混合液，所述混合液中去离子水和乙醇的体积比例为30:70～70:30；所述二氰二胺和醋酸钴的质量比例为100:3～100:24。所述混合液置于80～100℃的烘箱中干燥12～24h，得到前驱体。所述的超声处理为：将Co掺杂的g-C3N4光催化剂与MoS2，在频率40～60KHz、功率150～200W的条件下超声分散5～10h。所述的MoS2纳米片的制备包括如下步骤：取钼酸钠和硫脲溶于蒸馏水中得到混合液；将所得混合液加入盐酸使pH值为0.1～1，搅拌；将溶液转移至反应釜中，于150～250℃持续反应12～36h；反应完成后洗涤；再于真空环境中于60～80℃下干燥10～20h，研磨后得到MoS2纳米片。按以下比例，将0.2～0.8g钼酸钠和0.6～2.4g硫脲依次溶于50mL蒸馏水中得到混合液；将反应完成后的混合液用去离子水和乙醇分别离心清洗三到五次，离心速率为3000～10000rpm，离心时间为30min～60min。所述MoS2纳米片与Co-g-C3N4的质量比为(2～8):100；去离子水和乙醇的混合液中，去离子水和乙醇的比例为30:70到70:30；所述的光解水产氢复合催化剂MoS2/Co-g-C3N4在光解水制氢中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供复合光催化剂MoS2/Co-g-C3N4，该复合催化剂是在g-C3N4中掺杂Co和MoS2，以解决g-C3N4对可见光的吸收能力不足，光催化活性低的缺陷；将少量Co金属离子掺杂到g-C3N4结构单元中，可使其成为光生电子-空穴对的浅势捕获陷阱，延长电子与空穴的复合时间；将MoS2与g-C3N4复合构成异质结，由于二者导带和价带位置的差异，g-C3N4光激发产生的电子或空穴转移至复合物的导带或价带中，电子空穴分离，复合率降低，从而可以更高效地利用光激发产生的活性粒子，从而提高了g-C3N4光催化性能。本专利技术对所述复合光催化剂光催化分解水制氢的具体过程没有特殊要求，按照本领域技术人员所熟知的光催化分解水制氢的操作方式进行即可。本专利技术通过Co元素掺杂与MoS2复合的方式制备了MoS2/Co-g-C3N4，结果发现复合之后的催化剂MoS2/Co-g-C3N4光解水效率为单体g-C3N4的4.3倍；说明掺Co杂与MoS2复合构建异质结的策略对g-C3N4催化活性起到了很好的改善作用，结合XRD等表征发现复合催化剂其光生电子与空穴的分离效率大大提高，进而有效提高光解水产氢的能力。附图说明图1为本专利技术的合成路线示意图；图2为对比例1-2与实施例1-2中得到光催化剂的X射线衍射谱图:(a)为对比例1，(b)为对比例2，(c)为实施例1，(d)为实施例2。图3为对比例1-2与实施例1-2中得到光催化剂傅里叶红外谱图:(a)为对比例1，(b)为对比例2，(c)为实施例1，(d)为实施例2。图4为实施例2-3中得到光催化剂SEM图和TEM图:(A)为实施例1的SEM图，(B)为实施例2的SEM图，(C)为实施例1的TEM图，(d)为实施例2的TEM图。图5为实施例1中得到光催化剂XPS图：(a)为实施例1中XPS全谱图扫描，(b)为实施例1中C元素的XPS精细扫描，(c)为实施例1中N元素的XPS精细扫描，(d)实施例1中O元素的XPS精细扫描，(e)为实施例1中Co元素的XPS精细扫描，(f)为实施例1中S元素的XPS精细扫描，(g)为实施例1中Mo元素的XPS精细扫描。图6为对比例1、2和实施例1得到光催化剂产氢效率评价图，横坐标为反应时间(s)，纵坐标为产氢效率(μmol)：(a)为对比例1，(b)为对比例2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光解水产氢复合催化剂，其特征在于，该复合催化剂为MoS2/Co‑g‑C3N4，是在g‑C3N4中掺杂Co和MoS2，其中，Co掺杂于g‑C3N4体相内，条状的纳米片MoS2负载于g‑C3N4表面。

【技术特征摘要】
1.一种光解水产氢复合催化剂，其特征在于，该复合催化剂为MoS2/Co-g-C3N4，是在g-C3N4中掺杂Co和MoS2，其中，Co掺杂于g-C3N4体相内，条状的纳米片MoS2负载于g-C3N4表面。2.如权利要求1所述的光解水产氢复合催化剂，其特征在于，以质量分数计，该复合催化剂中MoS2：Co：g-C3N4的比例为(1-8):(1-10):100。3.一种光解水产氢复合催化剂MoS2/Co-g-C3N4的制备方法，其特征在于，包括以下操作：1)将二氰二胺和钴源化合物溶于去离子水，得到原料液，其中Co：二氰二胺的质量比例为1-8：100；将所述原料液加热搅拌，充分混合；干燥后得到前驱体；将前驱体在空气气氛下，以2～4℃/min的加热速率升温至400～600℃，持续煅烧2～4h，得到Co掺杂的Co-g-C3N4；2)将Co-g-C3N4和MoS2纳米片溶于蒸馏水和乙醇的混合液中，其中MoS2：g-C3N4的质量比例为1-10:100；然后经超声处理，并离心洗涤，得到固体产物；将所得固体产物真空干燥；在惰性气氛下，以2～4℃/min升温速率从室温升至200～600℃并煅烧2～4h，得到MoS2/Co-g-C3N4复合催化剂。4.如权利要求3所述的光解水产氢复合催化剂MoS2/Co-g-C3N4的制备方法，其特征在于，是将二氰二胺和醋酸钴溶于去离子水和乙醇的混合液，所述混合液中去离子水和乙醇的体积比例为30:70～70:30；所述二氰二胺和醋酸钴的质量比例为100:3～100:24。5.如权利要求3所述的光解水产氢复合催化剂MoS2...

【专利技术属性】
技术研发人员：田少鹏，任花萍，丁思懿，朱敏，马强，纪蓉蓉，冯兰涛，李振，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61