一种氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种氮化碳/氢气处理的三氧化钨二维复合Z型光催化材料、制备方法和用途。该材料由Pt负载的超薄氮化碳纳米片(Pt‑CN/NS)和氢气处理的三氧化钨(HWO)复合形成；其中，Pt‑CN/NS具有卷曲的二维网状结构；氢气处理的三氧化钨为二维纳米片；Pt‑CN/NS与HWO的复合为二维面接触式复合；Pt‑CN/NS与HWO的质量比为0.5:1～40:1。所制备的光催化材料基于Z型光催化作用机制，具有较高的可见光利用率，较低的载流子复合率，高效的可见光分解水产氢活性，可见光催化产氢活性最大可达862μmol·h

【技术实现步骤摘要】
一种氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料、制备方法及应用
本专利技术涉及纳米光催化材料制备及其制氢应用
，具体涉及氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料、制备方法及应用。
技术介绍
能源是人类赖以生存和发展的基础，但随着当今社会各方面的飞速发展，传统的化石能源(煤，石油，天然气)逐渐枯竭。因此，寻找可替代的环境友好型新能源是各国可持续发展亟需解决的问题。氢能具有可直接从水中获得来源广泛，燃烧热值高，燃烧过程清洁无污染，燃烧产物是无污染的水可循环利用，可以气态或固态金属氢化物等形式存在等优点，被认为是一种较理想的可替代性清洁能源。1972年Fujishima和Honda利用二氧化钛(TiO2)电极成功实现了光电化学劈裂水制氢，该开创性工作为后来的光解水制氢、电解水制氢、光电化学劈裂水制氢研究奠定了基础。但相较于光解水制氢，电解水和光电化学劈裂水制氢都需要提供较高的电能来驱动反应，而光解水原则上只需利用太阳光为驱动力。因此，光解水制氢逐渐成为研究热点，利用太阳能光催化分解水制氢被称为“21世纪梦的技术”。氮化碳(g-C3N4)具有价廉，无毒，制备方法简单，合适的劈裂水能级位置等优点而成为光催化领域的明星材料之一，但其载流子复合严重，限制了它在光解水制氢领域的应用。所以，对g-C3N4进行修饰和改性以提高其载流子分离效率，进而获得较高的催化效率是科学研究和工业应用的关注重点。一般而言，Z-型光催化体系在有效分离载流子的同时，可保持催化剂较高的氧化还原能力，是目前广泛研究且十分有效的提高半导体材料催化活性的方法。二维(2D)材料相较于体相材料能缩短载流子转移路径，从而提高载流子分离效率。因此，制备2D超薄g-C3N4已成为一个热门的研究领域。另外，能级匹配的不同半导体材料复合所得到的Z-型光催化作用机制的复合体系，可以在保持半导体材料较高氧化还原能力的同时，将整个体系的光生电子和空穴有效地分离开来，从而提高载流子的分离效率。在各种半导体材料中，三氧化钨(WO3)因价廉，无毒，对可见光有较强的吸收能力，价带空穴氧化能力强等优点常作为构建Z型体系较优候选材料。尤其是氢气处理的2D纳米片状WO3不仅具有较大的比表面积，能增大活性位点数还能缩短载流子的扩散距离，并在此基础上产生一定的氧空位，进一步改善材料的吸光能力。因此，氢气处理的WO3在光催化领域有很大的应用前景。目前还未发现本专利技术所涉及的超薄氮化碳/氢气处理的三氧化钨2D/2D复合Z型光催化材料的有关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超薄氮化碳/氢气处理的三氧化钨2D/2D复合Z型光催化材料、制备方法和应用。本专利技术首次利用煅烧法制备了紧密接触的超薄氮化碳/氢气处理的三氧化钨(HWO)二维/二维(2D/2D)复合Z型光催化材料，从形貌调控和电荷转移机制两方面共同提高了材料的载流子分离效率，从而获得了高效的可见光催化产氢活性。该光催化材料具有2D/2D复合特征，可以有效地分离光生电荷，实现可见光驱动的高效光催化分解水制氢，最高可达862μmolh-1的产氢活性。本专利技术提供的技术方案如下：一种氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料：由Pt负载的超薄氮化碳纳米片(Pt-C3N4/nanosheets，简称Pt-CN/NS)和氢气处理的三氧化钨(HWO)复合形成；其中，Pt-CN/NS具有卷曲的二维网状结构；氢气处理的三氧化钨(HWO)为二维纳米片；Pt-CN/NS与HWO的复合为二维面接触式复合；Pt-CN/NS与HWO的质量比为0.5:1～40:1。上述Pt-CN/NS的厚度约为4nm；所述氢化处理的HWO为超薄的二维纳米片，厚度约2.5nm。上述的氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料，在可见光激发后，Pt-CN/NS与HWO之间的光生电荷转移方式遵循Z型光催化机制。本专利技术的另一目的在于提供上述的氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将尿素经两次煅烧得到超薄g-C3N4；(2)将超薄g-C3N4分散在于甲醇溶液中，然后加入H2PtCl6溶液，超声分散后用高压汞灯照射，再经离心洗涤固体颗粒得到Pt负载的g-C3N4(Pt-CN/NS)；(3)将Na2WO4·2H2O溶于水中，搅拌下逐滴加入的HCl溶液，得到浅黄色絮状物；然后加入(NH4)2C2O4·H2O，搅拌至溶液澄清透明，再向其中加入去离子水，搅均后进行水热反应，产物经洗涤、干燥得到三氧化钨；取该三氧化钨加入到无水乙醇中，搅拌至分散均匀，然后醇热处理，产物经洗涤、干燥、煅烧，最终得到超薄三氧化钨；最后在Ar和H2混合气氛下将超薄三氧化钨氢化处理，得到氢化处理的三氧化钨(HWO)；(4)取Pt负载的g-C3N4(Pt-CN/NS)和氢化处理的三氧化钨在氩气气氛中退火后得到Pt-CN/NS与HWO的二维复合Z型光催化材料。上述步骤(1)中第一次煅烧起始温度为550℃，煅烧时间为2h；第二次煅烧温度为520℃，煅烧时间为3h；升温速率均为5℃·min-1。上述步骤(3)中水热反应的温度为120℃，处理时间为1h；醇热处理温度为200℃，处理时间为24h。上述步骤(3)中Ar和H2的体积比为1:9，氢化处理温度为400℃，处理时间为6h。上述步骤(4)中退火温度为400℃，退火时间为1h。本专利技术还提供了上述的氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料在高效可见光催化分解水制氢中的应用。本专利技术的有益效果：(1)所制备的光催化材料为2D/2D超薄纳米片，有效地缩短了载流子的转移距离，降低了光生电荷的体相复合几率；(2)所制备的光催化材料的光生电荷转移方式属于Z机制，提高了整个体系的载流子分离效率，同时又保持了较高的氧化还原能力；(3)所制备的光催化材料具有较强的光捕获能力和高效的光催化产氢活性，最高可达862μmol·h-1的产氢活性，具有较大的应用前景；(4)制备原料易得，制备方法简单，工艺条件易控，反应活性高，适合工业化生产；(5)提供了一种超薄氮化碳/三氧化钨进行2D/2D复合制备Z型光催化材料的新思路，所制备的光催化材料对光催化材料的制备和应用具有较高的参考价值。附图说明图1为本专利技术制备的超薄氮化碳(CN/NS)的FESEM(a)，TEM(b)图；图2为本专利技术制备的HWO的FESEM(a)，TEM(b)和HRTEM(b插图)图；图3为本专利技术制备的超薄氮化碳CN/NS(a)和HWO(b)的原子力显微镜图，以及相应的高度图CN/NS(c)和HWO(d)；图4为本专利技术制备的Pt-CN/HWO-40Z型光催化材料光照1h后部分材料的紫外可见漫反射图(a)，该材料的表观量子产率图(b)；及不同材料的光催化产氢活性对比图(c)，图5为本专利技术制备的Pt-CN/HWO-40的荧光发射光谱图(a)和电化学阻抗谱(b)。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料，其特征在于：/n由Pt负载的超薄氮化碳纳米片(Pt-C

【技术特征摘要】
1.一种氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料，其特征在于：
由Pt负载的超薄氮化碳纳米片(Pt-C3N4/nanosheets，简称Pt-CN/NS)和氢气处理的三氧化钨(HWO)复合形成；
其中，Pt-CN/NS具有卷曲的二维网状结构；氢气处理的三氧化钨(HWO)为二维纳米片；
Pt-CN/NS与HWO的复合为二维面接触式复合；
Pt-CN/NS与HWO的质量比为0.5:1～40:1。


2.根据权利要求1所述的氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料，其特征在于：所述的Pt-CN/NS的厚度约为4nm；所述氢化处理的HWO为超薄的二维纳米片，厚度约2.5nm。


3.根据权利要求1所述的氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料，其特征在于：在可见光激发后，Pt-CN/NS与HWO之间的光生电荷转移方式遵循Z型光催化机制。


4.一种权利要求1-3任一项所述的氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将尿素经两次煅烧得到超薄g-C3N4；
(2)将超薄g-C3N4分散在于甲醇溶液中，然后加入H2PtCl6溶液，超声分散后用高压汞灯照射，再经离心洗涤固体颗粒得到Pt负载的g-C3N4(Pt-CN/NS)；
(3)将Na2WO4·2H2O溶于水中，搅拌下逐滴加入的HCl溶液，得到浅黄色絮状物；...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭天右，刘东，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42