一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2‑xNx催化剂及其制备和应用，催化剂是由铂颗粒和介孔氮掺杂二氧化钛构筑的团聚体；制备方法包括：钛硅复合氧化物凝胶制备，介孔TiO2‑xNx复合物溶液制备，铂纳米颗粒的悬浊液制备，复合化Pt/TiO2‑xNx催化剂制备；催化剂应用于以可见光为光源的光催化分解水制氢。本发明专利技术工艺和设备简单，易得，制备周期短，易于大规模生产；得到的催化剂比表面积高，且具有较高的可见光吸收范围，在可见光下分解水制氢的效率高。

A composite Pt/TiO2-xNx catalyst with visible light splitting water for hydrogen production and its preparation and Application

The invention relates to a composite Pt/TiO2 xNx catalyst with visible light splitting water for hydrogen production, and its preparation and application. The catalyst is a aggregate formed by platinum particles and mesoporous nitrogen doped titanium dioxide. The preparation method comprises: preparation of titanium silicon composite oxide gel, preparation of mesoporous TiO2 xNx complex solution, platinum nanoparticle. The suspension of particles was prepared, and the composite Pt / TiO2_xNx catalyst was prepared. The catalyst was used for photocatalytic decomposition of water to produce hydrogen under visible light. The catalyst has high specific surface area, high visible light absorption range and high efficiency of hydrogen production by decomposing water under visible light.

【技术实现步骤摘要】
一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂及其制备和应用
本专利技术属于可见光光催化剂及其制备和应用领域，特别涉及一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂及其制备和应用。
技术介绍
氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一。此外，当今所用的常规能源均属于不可再生资源且日益枯竭，因此必须寻找新的能源。氢气正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。纳米二氧化钛是一种非常有效的光催化剂，但也存在着只能吸收紫外光、对太阳光占比40％的可见光不能利用等缺点。氮等非金属元素取代二氧化钛中的氧后，可将二氧化钛的光响应范围由紫外光拓展到可见光区，并表现出可见光催化活性。贵金属在半导体表面的沉积可以采用浸渍还原法。贵金属的沉积会大大提高光生电子的输送效率，并抑制光生电子和空穴的复合，提高半导体的光催化效率。已见报道的贵金属主要包括Pt、Ag、Ir、Au、Ru、Pd、Rh等，其中有关Pt的报道最多，效果也最好。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂及其制备和应用，该制备方法简单，工艺参数容易控制，得到的催化剂比表面积高，且具有较高的可见光吸收范围，在可见光下分解水制氢的效率高。本专利技术的一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂，所述催化剂是由铂颗粒和介孔氮掺杂二氧化钛构筑的团聚体，其中铂的负载量为0.5wt％-3wt％。本专利技术的一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂的制备方法，具体实施可分为三大步：第一步制备介孔TiO2-xNx复合物溶液；第二步是用微波法制备铂纳米颗粒的悬浊液；第三步是制备复合化Pt/TiO2-xNx催化剂，从而获得具有可见光光催化分解水特性的铂负载的氮掺杂二氧化钛介孔材料。具体包括：(1)介孔TiO2-xNx复合物溶液的制备：用溶胶-凝胶法制备钛硅复合氧化物凝胶，钛硅复合氧化物凝胶经干燥、粉碎、过筛和煅烧(去除残留的有机物)后，氨气气氛下氮化(使二氧化钛部分氮化)，碱液洗(溶去其中的二氧化硅、过量氮)，水洗，干燥，得到介孔TiO2-xNx复合物，将介孔TiO2-xNx复合物与溶剂混合，超声，得到介孔TiO2-xNx复合物溶液，其中0<x<2，介孔TiO2-xNx复合物与溶剂的质量比为1:10～200；(2)用微波法制备铂纳米颗粒的悬浊液：将含铂化合物溶于溶剂中，得到含铂化合物溶液，调节溶液pH为7-12(加入碱调节)，然后置于微波炉中微波加热，冷却，得到铂纳米颗粒的悬浊液，其中含铂化合物与溶剂的比例为20-60mg:80-110mL；(3)制备复合化Pt/TiO2-xNx催化剂：将步骤(1)中介孔TiO2-xNx复合物溶液加入到步骤(2)中铂纳米颗粒的悬浊液中，搅拌，调节溶液pH为1-6，继续搅拌，过滤，水洗，干燥，得到复合化Pt/TiO2-xNx催化剂，其中铂的负载量为0.5wt％-3wt％。所述步骤(1)中溶胶-凝胶法制备钛硅复合氧化物凝胶为：将酞酸丁酯和正硅酸乙酯分别作为二氧化钛和二氧化硅的前驱体，通过两步水解法得到钛硅复合氧化物凝胶，其中钛硅复合氧化物凝胶中钛与硅的摩尔比为1:3-2:1，钛硅复合氧化物凝胶的具体组分为：TiO2:3SiO2、TiO2:2SiO2、TiO2:SiO2、2TiO2:SiO2等4种。所述步骤(1)中干燥温度为50-110℃。所述步骤(1)中碱液为2mol/L，使用2mol/L的碱溶液洗涤复合物是为了溶解掉其中的二氧化硅，浓度过高会使二氧化钛的光催化性能下降，浓度过低会达不到溶解二氧化硅的目的。所述步骤(1)、(2)中溶剂均为乙醇、乙二醇或异丙醇；碱均为氢氧化钠或者氢氧化钾。所述步骤(2)中溶剂与步骤(1)中溶剂一致。所述步骤(1)中煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为1-3h。所述步骤(1)中超声时间为5min-1h。超声分散的目的是为了避免TiO2-xNx复合物的团聚，使其分散更均匀。所述步骤(1)中氨气的流量为100-400毫升/分钟；氮化温度为800-1000℃，氮化时间为4-6h。所述步骤(2)中含铂化合物为氯铂酸、氯铂酸钠或者氯铂酸钾。所述步骤(2)中微波加热功率为500-1000W，微波加热温度为50～200℃，微波加热时间为1-10min。通过调整微波炉的功率、温度和加热时间改变生成的铂颗粒的尺寸。所述步骤(3)中调节溶液pH为1-6是用盐酸、硫酸或者硝酸。所述步骤(3)中搅拌时间为1-5min；继续搅拌温度为室温，继续搅拌时间为1-48h。所述步骤(3)中铂的负载量为2wt％时，复合化Pt/TiO2-xNx催化剂的催化性能最好。本专利技术的一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂应用于以可见光为光源的光催化分解水制氢。本专利技术将溶胶-凝胶法和微波还原法结合，制备了一种高性能的复合化Pt/TiO2-xNx可见光光催化剂。本专利技术制备的铂负载的氮掺杂介孔二氧化钛光催化剂，成分均一、比表面积大，且与铂之间能有效的提高电子空穴对的分离效率，从而提高光量子效率。氮掺杂和金属铂的负载能同时增加催化剂对可见光的吸收，使材料具有较好可见光催化活性。以可见光为光源，甲酸为牺牲剂，进行光催化分解水制氢测试，相比于商业光催化剂，取得了很好的催化效果。有益效果(1)本专利技术工艺和设备简单，易得，制备周期短，易于大规模生产；(2)本专利技术得到的催化剂比表面积高，且具有较高的可见光吸收范围，在可见光下分解水制氢的效率高。附图说明图1是实施例1制备的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂与商业P25的紫外可见漫反射光谱；图2是实施例2制备的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂的XRD图；图3是实施例2制备的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂的透射电镜图；图4是实施例3制备的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂与商业二氧化钛P25的光催化产氢曲线。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1(1)往90ml体积比为1：1的正硅酸乙酯的乙醇溶液加中入4.3ml0.1M硝酸的乙醇溶液，70摄氏度回流2小时，冷却至室温。取上述溶液90ml，然后加入44ml体积比为1：1的钛酸丁酯的乙醇溶液并搅拌。再逐步加入9.2ml0.1M硝酸乙醇溶液，使水的物质的量为钛和硅的物质的量之和的两倍。静置至形成凝胶，得到钛硅复合氧化物凝胶，110℃干燥、粉碎、过筛，600摄氏度煅烧两小时。冷却后称量2克，置于管式炉中，流速为400毫升/分钟的流动氨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2‑xNx催化剂，其特征在于，所述催化剂是由铂颗粒和介孔氮掺杂二氧化钛构筑的团聚体，其中铂的负载量为0.5wt％‑3wt％。

【技术特征摘要】
1.一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂，其特征在于，所述催化剂是由铂颗粒和介孔氮掺杂二氧化钛构筑的团聚体，其中铂的负载量为0.5wt％-3wt％。2.一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂的制备方法，包括：(1)用溶胶-凝胶法制备钛硅复合氧化物凝胶，钛硅复合氧化物凝胶经干燥、粉碎、过筛和煅烧后，氨气气氛下氮化，碱液洗，水洗，干燥，得到介孔TiO2-xNx复合物，将介孔TiO2-xNx复合物与溶剂混合，超声，得到介孔TiO2-xNx复合物溶液，其中0<x<2，介孔TiO2-xNx复合物与溶剂的质量比为1:10～200；(2)将含铂化合物溶于溶剂中，得到含铂化合物溶液，调节溶液pH为7-12，然后微波加热，冷却，得到铂纳米颗粒的悬浊液，其中含铂化合物与溶剂的比例为20-60mg:80-110mL；(3)将步骤(1)中介孔TiO2-xNx复合物溶液加入到步骤(2)中铂纳米颗粒的悬浊液中，搅拌，调节溶液pH为1-6，继续搅拌，过滤，水洗，干燥，得到复合化Pt/TiO2-xNx催化剂，其中铂的负载量为0.5wt％-3wt％。3.按照权利要求2所述的一种具有可见光分解水制氢性能的复合化Pt/TiO2-xNx催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中溶胶-凝胶法制备钛硅复合氧化物为：将酞酸丁酯和正硅酸乙酯分别作为二氧化钛和二氧化硅的前驱体，通过两步水解法得到钛硅复合氧化物凝胶，其中钛硅复合氧化物凝胶中钛与硅的摩尔比为1:3-2:1。4.按照权利要求2所述的一种具有可见光分解水制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青红，韩鑫，王宏志，李耀刚，侯成义，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31