一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂和制备以及应用制造技术

本发明专利技术提供了一种Pt单原子‑C量子点的复合光催化剂，包括：二氧化钛和以单原子形式负载在所述二氧化钛上的Pt，所述二氧化钛上还负载有C量子点。通过将Pt以单原子的形式负载在二氧化钛上，使得二氧化钛与Pt形成大量的异质结，极大的抑制光生电子和空穴的复合，提高了光催化剂的催化能力；加入碳量子，极大的延长了光催化剂的催化寿命。

A composite photocatalyst of Pt monatomic -C quantum dots and its preparation and Application

The present invention provides a composite photocatalyst of Pt single atom_C quantum dots, including titanium dioxide and Pt loaded on the titanium dioxide in the form of a single atom, and the titanium dioxide is also loaded with C quantum dots. By loading Pt on titanium dioxide in the form of a single atom, a large number of heterojunctions were formed between titanium dioxide and Pt, which greatly inhibited the combination of photogenerated electrons and holes and improved the photocatalytic activity of the photocatalyst.

【技术实现步骤摘要】
一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂和制备以及应用
本专利技术涉及光催化剂领域，属于一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂。
技术介绍
近年来，随着全球化石能源的日渐枯竭，以及人们对能源需求不断增长，寻找新能源替代传统化石能源，已成为目前人们迫切需要解决的问题之一。氢气为二次能源，引燃温度为400℃，在空气里燃烧，与氧气发生反应，生成水，这一反应过程中有大量热放出，是相同条件下汽油的三倍，同时无污染物的产生，是目前人们广泛应用的新能源之一。氢气常用的制备方法之一就是在光催化剂的辅助下，利用太阳能光解水来制备氢气。在光催化过程中，光催化剂起到至关重要的作用。TiO2光催化剂由于其良好的电子能带结构、无毒性以及光稳定性，已成为研究和应用最为广泛的催化剂之一。然而，TiO2光催化剂在催化光解水的过程中，光生电子和空穴很容易重新复合在一起，限制了光催化产氢的效果。在TiO2表面负载纳米级别的贵金属Pt、Pd以及非金属C是提高催化剂光催化产氢能力的有效手段。研究表明负载贵金属或非金属的TiO2光催化剂中，主要起促进作用的是与TiO2晶面直接接触的贵金属或非金属原子，而纳米颗粒中的绝大多数原子与TiO2的晶面是非接触的，这就使得大量的贵金属在光催化过程中丧失催化作用，导致贵金属的利用率降低，催化效率低，而且导致大量贵金属浪费。经过研究发现，与纳米颗粒相比，贵金属大多呈原子分散在TiO2上，以及C以量子点形式分散在TiO2上可大大提高光催化能力，理论利用率可高达100％。例如，YuleiSui等人在“AtomicallydispersedPtonspecificTiO2facetsforphotocatalyticH2evolution”(JournalfoCatalysis353,2017,250-255)一文中介绍，Pt以单原子形式负载在TiO2上形成的光催化剂，与纳米级的Pt分散在TiO2上形成的光催化剂相比，其光催化性能得很大的提高。PengxinLiu等人在“Photochemicalrouteforsynthesizingatomicallydispersedpalldiumcatalysts”(Science,Vol.352,Issue6287,pp.797-800)一文中介绍，Pd以单原子形式负载在TiO2上形成的光催化剂，与纳米级的Pd分散在TiO2上形成的光催化剂相比，其光催化性能得很大的提高。但是，无论是负载有单原子贵金属的TiO2光催化剂，还是负载有C量子点(碳量子点)TiO2光催化剂，催化寿命都较短，当催化一段时间后，其催化能力会大大下降，随之产生氢气的量也急剧下降，严重影响了光催化剂的使用。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中负载有单原子贵金属或负载有C量子点的TiO2光催化剂的催化寿命短的缺陷，从而提供了一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂和制备以及应用。一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂，包括：二氧化钛和以单原子形式负载在所述二氧化钛上的Pt，所述二氧化钛上还负载有碳量子点。优选的是，所述的复合光催化剂中，所述复合光催化剂中，所述碳量子点的量为所述复合光催化剂的质量的0.2wt％-2wt％。优选的是，所述的复合光催化剂中，所述二氧化钛为单晶体；所述二氧化钛的(001)晶面的面积总和为所述二氧化钛的晶体面积的30％-70％。优选的是，所述的复合光催化剂中，所述Pt以单原子形式负载在所述二氧化钛的(101)晶面上。优选的是，所述的复合光催化剂中，所述复合光催化剂中，所述Pt的量为所述复合光催化剂质量的0.1wt％-0.9wt％。一种制所述的复合光催化剂的方法，包括如下步骤：将Pt以单原子形式负载在二氧化钛上的Pt/TiO2单原子催化剂、碳量子点和去离子水混合，超声，真空烧结，得到C量子点-Pt单原子催化剂；真空烧结的温度120-160℃，时间12-24h。优选的是，所述的制备方法中，还包括：(1)将四氯化钛、乙二醇和酸溶液混合，水热，得到单晶体二氧化钛；(2)将步骤(1)制备得到的单晶体二氧化钛与去离子水混合，而后加入铂盐溶液，紫外光照射，离心，干燥，得到所述Pt/TiO2单原子催化剂。优选的是，所述的制备方法中，四氯化钛、乙二醇和酸溶液的体积比为2:60:(0.39-0.79)；所述酸溶液的体积浓度为40％-50％；水热的温度为180-200℃，水热的时间18-24h。优选的是，所述的制备方法中，还包括：所述碳量子点的制备为:以石墨为工作电极和对电极，以水作为电解液，在电解电压为40v下，电解120h，离心，取上层清液，干燥，得到碳量子点。一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂在光解制备氢气中的应用。本专利技术技术方案，具有如下优点：1.本专利技术提供了一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂，一方面，通过将Pt以单原子的形式负载在二氧化钛上，使得二氧化钛与Pt形成大量的异质结，极大的抑制光生电子和空穴的复合，提高了复合光催化剂的催化能力；另一方面，加入碳量子，可有效分离Pt/二氧化钛表面的光生电荷，与Pt共同作用产生协同增强效应，抑制催化剂表面活性点失活，提高二氧化钛的光催化活性的同时极大的延长了复合光催化剂的催化寿命。2.本专利技术提供了一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂，限定二氧化钛上碳量子点的负载量为0.2wt％-2wt％，不仅可以有效的延长复合光催化剂的使用寿命，而且能有效的避免碳量子之间团聚。3.本专利技术提供了一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂，限定所述二氧化钛为单晶体结构，并且限定二氧化钛的(001)面的面积总和为所述二氧化钛的晶体表面积的30％-70％，此比例的(101)与(001)晶面异质结的存在有利光生载流子的快速分离，单原子Pt对该异质结起到了加强的作用，进一步的提高了光催化剂的催化效果。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1-图2为实施例1中制备的Pt单原子催化剂A的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜下的图像。图3-图4为实施例1为实施例1中制备的Pt单原子催化剂A的Pt单原子催化剂电镜扫描图。图5为实施例6制备的复合光催化剂中C量子点在透射电子显微镜下的表征图像。具体实施方式下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。实施例1(1)将2mLTiCl4滴加到60mL乙二醇中，在转速为300r/min下搅拌30min，之后滴加0.79mL体积浓度为40％的HF溶液；将混合液移入聚四氟乙烯内衬的水热釜中，控制水热温度200℃，水热时间24h，得到白色悬浮液，离心、干燥，得到单晶体TiO2；单晶体TiO2的(001)晶面的面积为单晶体TiO2晶体面积的40％；(2)取78mg步骤(1)制备得到的TiO2单晶体，与100mL去离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Pt单原子‑C量子点的复合光催化剂，包括：二氧化钛和以单原子形式负载在所述二氧化钛上的Pt，其特征在于，所述二氧化钛上还负载有碳量子点。

【技术特征摘要】
1.一种Pt单原子-C量子点的复合光催化剂，包括：二氧化钛和以单原子形式负载在所述二氧化钛上的Pt，其特征在于，所述二氧化钛上还负载有碳量子点。2.根据权利要求1所述的复合光催化剂，其特征在于，所述复合光催化剂中，所述碳量子点的量为所述复合光催化剂的质量的0.2wt％-2wt％。3.根据权利要求1或2所述的复合光催化剂，其特征在于，所述二氧化钛为单晶体；所述二氧化钛的(001)晶面的面积总和为所述二氧化钛的晶体面积的30％-70％。4.根据权利要求1-3任一所述的复合光催化剂，其特征在于，所述Pt以单原子形式负载在所述二氧化钛的(101)晶面上。5.根据权利要求1-4任一所述的复合光催化剂，其特征在于，所述复合光催化剂中，所述Pt的量为所述复合光催化剂质量的0.1wt％-0.9wt％。6.一种制备权利要求1-5任一所述的复合光催化剂的方法，包括如下步骤：将Pt以单原子形式负载在二氧化钛上的Pt/TiO2单原子催化剂、碳量子点和去离子水混合，超声，...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋裕雷，刘清侠，
申请(专利权)人：隋裕雷，刘清侠，
类型：发明
国别省市：江苏,32