一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料及其制备方法。该材料组分包括半导体P25纳米粒子和FeNi‑LDH。该方法包括：将镍盐、铁盐与超纯水混合，搅拌，加入N‑甲基吡咯烷酮，加热反应，冷却，洗涤、冷冻干燥，将得到FeNi‑LDH的分散液中加入半导体P25纳米粒子，搅拌进行静电组装。该方法具有简单易行、成本低廉等特性，制备得到的复合纳米材料具有薄片结构，且具有对光催化分解水产氢效率高、光稳定性好等优点，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料及其制备方法
本专利技术属于光催化分解水产氢材料及其制备领域，特别涉及一种用于光催化分解水产氢的FeNi-LDH/P25复合纳米材料及其制备方法。
技术介绍
传统化石能源严重短缺且日益枯竭，环境问题也在不断威胁人类自身的生存，通过利用清洁的太阳能将水分解成氢气和氧气，是太阳能利用的重要途径之一。近年来，利用半导体光催化剂分解水制氢以其廉价、节能、环保等优势有望成为新一代氢能开发技术，也是有望实现可持续生产氢气的环保技术。然而，现如今的光催化剂利用太阳光光催化分解水的效率相对较低，还不能在商业上广泛应用。限制人造光催化材料的转化效率的主要因素是光生电子空穴对的复合率较高，当光催化半导体材料吸收光子的能量后被激发产生电子和空穴对，所以光催化过程中电子和空穴的转移路径以及时间，对光催化效率的影响是非常重大的。现在，通过各种方法来提高材料的光催化性能是一个关键问题，复合材料异质结的构建也成为一种有效提升光催化材料产氢性能的方法之一。P25具有光催化效率高，稳定性好和不产生二次污染等特点，近几年来是光催化剂研究最多的半导体材料之一，但是在光催化反应中，P25光生电子和空穴的复合率仍然很高。但是目前助催化剂仍然存在许多问题，如助催化剂的导电性较差，导致电子的传递效率不高；亲水性能较差，导致催化剂不能与水分子充分接触；助催化剂与半导体表面难以建立紧密的接触界面，不利于光生电荷的传递和催化剂的稳定性；氢吸附吉布斯自由能不利于析氢等。现在，科研工作者更倾向于寻找其他廉价的半导体与P25通过各种方式复合在一起，以此来提升光催化材料产氢性能。科研工作者们常用添加贵金属助催化剂的方法，提升光催化材料的光生电子与空穴对的分离效率，从而提升其催化性能。然而，Pt等贵金属在地壳中含量稀少，价格昂贵，严重制约了Pt等贵金属在光催化领域中的应用。因此，开发来源丰富、廉价的非贵金属材料作为半导体光催化剂成为研究热点。二维LDH纳米片具有表面积大，活性位点多和电导率高等优点，具有从水中分解出H2的光催化性能，通过改变LDH材料中的金属和M2+/M3+阳离子比例，就可以轻松调整带隙能量和禁带边缘位置。例如，KulamaniParidaetal.设计了g-C3N4/NiFe-LDH复合材料，最高产氢量为1488μmolh-1g-1，纯LDH材料产氢量为633μmolh-1g-1。相比之下，比先前发布的将铁掺入MgAl-LDH中，其产氢量却仅为493μmolh-1g-1。FeNi-LDH很少单独用作光催化剂，这主要归因于其弱的可见光吸收和较差的载体分离效率。在先前的研究中，FeNi-LDH与其他光敏半导体(例如CdS，g-C3N4)耦合形成异质结构，但是其制备出的复合材料产氢量与纯CdS或g-C3N4等半导体相比，并未提高太多。例如，HualeiZhouetal.采用喷涂法设计了二维CdS/NiFe-LDH异质结。最高产氢量仅为469μmolh-1g-1，且经过4个周期，氢气的排放降低12％。
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用于光催化分解水产氢的复合纳米材料及其制备方法，以克服现有技术中P25光催化剂产氢效果不佳等缺陷。本专利技术提供了一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料，所述材料包括半导体P25纳米粒子和FeNi-LDH，所述FeNi-LDH与半导体P25纳米粒子的质量比值为5～30％。(纳米异质结显著促进了H2的释放动力学和大大抑制了光诱导电子和空穴的复合，这是负责增强复合材料的光催化活性)本专利技术还提供一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料的制备方法，包括：(1)将镍盐、铁盐与超纯水混合，搅拌，得到分散均匀的混合溶液，加入N-甲基吡咯烷酮，油浴加热，冷却，洗涤、冷冻干燥，得到FeNi-LDH，其中镍盐中的镍与铁盐中的铁的摩尔比为1:1～3:1；(2)将步骤(1)中FeNi-LDH与溶剂混合，超声，将得到的FeNi-LDH分散液中加入半导体P25纳米粒子，搅拌进行静电组装，干燥，得到用于光催化分解水产氢的复合纳米材料，其中，FeNi-LDH分散液的浓度为0.5～1.5mg/mL，FeNi-LDH与半导体P25纳米粒子的质量比值为5～30％。所述步骤(1)中镍盐为六水合硝酸镍；铁盐为九水合硝酸铁。所述步骤(1)中油浴加热温度为90～110℃，油浴加热时间为4～6h。所述步骤(1)中洗涤采用超纯水洗涤3～4次，直至溶液显中性。所述步骤(2)中溶剂为无水乙醇。所述步骤(2)中搅拌为机械搅拌；搅拌时间为8～12h。所述步骤(2)中干燥温度为60～80℃，干燥时间为8～12h。本专利技术还提供一种上述方法制备得到的FeNi-LDH纳米片，采用尿素水解法合成了FeNi-LDH，其中加入N-甲基吡咯烷酮作为高沸点溶剂，防止加热时水挥发，且由于其合适的表面张力防止FeNi-LDH纳米片在合成过程中发生团聚。本专利技术还提供一种上述方法制备得到的光催化分解水产氢的复合纳米材料。本专利技术还提供一种上述复合纳米材料在光催化分解水中的应用。本专利技术中复合纳米材料可大大提升P25光催化剂的光生电子-空穴对的分离率以及光稳定性，从而提高P25光催化剂的产氢性能，具有可比拟贵金属Pt的产氢量。本专利技术将得到FeNi-LDH的分散液中加入半导体P25纳米粒子，由于在中性条件下，FeNi-LDH表面带正电，P25纳米子表面带负电，可搅拌进行静电组装，其最高产氢量可达22595μmolh-1g-1，而纯P25的产氢量为100μmolh-1g-1，纯LDH的产氢量为50μmolh-1g-1，可见其二者复合后的纳米材料将产氢量大大提高。有益效果(1)本专利技术具有简单易行、成本低廉等特性，制备得到的复合纳米材料具有薄片结构，且具有对光催化分解水产氢效率高、光响应强的优点，具有良好的应用前景。(2)本专利技术通过静电组装的方式将二者复合在一起，不仅能发挥二维FeNi-LDH纳米片的表面积大，活性位点多和电导率高等优点，又能结合P25具有光催化效率高，稳定性好的优点。附图说明图1为实施例1中FeNi-LDH/P25复合纳米材料的TEM照片，左图为FeNi-LDH薄片结构，右图为FeNi-LDH/P25复合纳米材料；图2为实施例1-5中不同比例FeNi-LDH/P25复合纳米材料的X射线衍射(XRD)示意图；图3为实施例1-5中不同比例FeNi-LD/P25复合纳米材料和对比例1-2中不同比例Pt/P25复合纳米材料的产氢性能对比图；图4为本专利技术不同比例FeNi-LD/P25复合纳米材料以及纯FeNi-LDH和P25的紫外可见光光谱图。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料，其特征在于，所述材料组分包括半导体P25纳米粒子和FeNi-LDH，所述FeNi-LDH与半导体P25纳米粒子的质量比值为5～30％。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料，其特征在于，所述材料组分包括半导体P25纳米粒子和FeNi-LDH，所述FeNi-LDH与半导体P25纳米粒子的质量比值为5～30％。


2.一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料的制备方法，包括：
(1)将镍盐、铁盐与超纯水混合，搅拌，加入N-甲基吡咯烷酮，油浴加热，冷却，洗涤、冷冻干燥，得到FeNi-LDH，其中镍盐中的镍与铁盐中的铁的摩尔比为1:1～3:1；
(2)将步骤(1)中FeNi-LDH与溶剂混合，超声，将得到的FeNi-LDH分散液中加入半导体P25纳米粒子，搅拌进行静电组装，干燥，得到用于光催化分解水产氢的复合纳米材料，其中，FeNi-LDH分散液的浓度为0.5～1.5mg/mL，FeNi-LDH与半导体P25纳米粒子的质量比值为5～30％。

【专利技术属性】
技术研发人员：张青红，崔文莉，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