一种用于光催化醇水体系产氢的催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于多相催化材料制备与应用技术领域，具体涉及一种用于光催化醇水体系产氢的催化剂及其制备方法，该催化剂是由RuO2纳米粒子和高度分散的Ru单原子共同负载于锐钛矿相TiO2花状球形纳米结构载体表面所构成的Ru/TiO2催化剂；RuO2纳米颗粒和Ru单原子共存能够有效调控催化剂的表面结构和电子结构，从而协同提升催化活性；花状TiO2载体具有较大的比表面积，能够暴露更多的催化活性位；Ru助催化剂和TiO2载体通过金属

【技术实现步骤摘要】
一种用于光催化醇水体系产氢的催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于多相催化材料制备与应用
，具体涉及一种用于光催化醇水体系产氢的催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢气是一种具有高能量密度的清洁能源，基于半导体光催化技术利用太阳能驱动水分解生产氢气被认为是解决能源和环境问题的一种理想的可持续策略。将光催化分解水产氢与选择性有机氧化相结合，光生电子还原质子释放出氢气的同时光生空穴可以将有机分子氧化成具有高附加值的有机产物；并且两种产物自发地分离在气相和液相中，无需额外的分离步骤，从而可以实现太阳能燃料(H2)与高附加值化学品的同时产生。然而，单纯半导体光催化材料的光生电荷复合率高且表面催化活性位不足，导致其光催化活性较低。在半导体表面负载金属助催化剂可以显著提高光催化性能。一方面，金属助催化剂不仅能捕获光生电子，提高光生电子空穴的分离和传输效率，而且可以作为优异的析氢活性中心，促进催化剂表面的质子还原，从而提高产氢效率。另一方面，金属
‑
载体强相互作用可以有效调控光催化材料的表面结构和电子结构，优化反应底物的吸附活化，从而提高光催化剂的活性和产物选择性。
[0003]现有技术中，报道的金属纳米颗粒修饰半导体的光催化材料普遍存在金属负载量高、颗粒分散性差、金属
‑
载体之间结合不牢固等缺点，导致光催化性能提高的程度以及金属利用率不能令人满意，并且金属助催化剂在长时间反应过程中容易脱落导致催化活性显著下降。
[0004]有鉴于此，有必要提供一种新的用于光催化醇水体系产氢的催化剂。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服传统技术中存在的至少一个上述问题，提供一种用于光催化醇水体系产氢的催化剂及其制备方法。本专利技术催化剂由RuO2纳米颗粒和Ru单原子共同负载于锐钛矿相二氧化钛(TiO2)载体表面构成，其中TiO2载体呈花状球形纳米分级结构，RuO2纳米颗粒、Ru单原子和TiO2载体经高温煅烧过程原位形成并通过金属
‑
载体强相互作用牢固结合，保证催化剂具有良好的稳定性。该催化剂可以在模拟太阳光照射下催化醇水体系高效产氢，同时还可以高选择性地将某些醇转化成高附加值的醛。
[0006]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现：
[0007]一种用于光催化醇水体系产氢的催化剂，该催化剂是由RuO2纳米粒子和高度分散的Ru单原子共同负载于锐钛矿相TiO2花状球形纳米结构载体表面所构成的Ru/TiO2催化剂。
[0008]进一步地，上述用于光催化醇水体系产氢的催化剂中，Ru元素的质量分数为0.5
‑
2wt.％。
[0009]进一步地，上述用于光催化醇水体系产氢的催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010]1)将二乙烯三胺、钛酸四异丙酯溶解于异丙醇中，然后将溶液转移到反应容器内，
在180
‑
200℃下反应20
‑
36h，反应结束后冷却至室温，收集沉淀并进行洗涤、干燥，得到富含氨基的TiO2‑
NH2粉体；
[0011]2)将TiO2‑
NH2粉体分散到水中得到悬浊液A，量取浓度为0.01mol/L的钌盐水溶液加入到上述悬浊液A中，搅拌5
‑
10h，得到悬浊液B；
[0012]3)将悬浊液B中的固体颗粒从溶液中分离出来，干燥后得到Ru/TiO2‑
NH2粉体；
[0013]4)将Ru/TiO2‑
NH2粉体置于300
‑
500℃空气中煅烧2
‑
3h，自然冷却至室温，得到Ru/TiO2催化剂。
[0014]进一步地，如上所述制备方法，步骤1)中，二乙烯三胺和钛酸四异丙酯两者的摩尔比为(1
‑
5):100，钛酸四异丙酯和异丙醇两者的质量比为(2
‑
7):100。
[0015]进一步地，如上所述制备方法，步骤2)中，TiO2‑
NH2粉体和其分散用水的质量比为(1
‑
5):400。
[0016]进一步地，如上所述制备方法，步骤2)中，钌盐水溶液和TiO2‑
NH2粉体分散用水的体积比(1
‑
15):100。
[0017]进一步地，如上所述制备方法，步骤4)中，煅烧过程中一部分Ru
3+
被氧化并聚集形成RuO2纳米颗粒，另一部分Ru
3+
原位锚固在TiO2表面形成高度分散的Ru单原子。
[0018]上述催化剂在催化醇水体系产氢方面的应用。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]1、本专利技术催化剂是由Ru助催化剂和锐钛矿相TiO2载体组成；其中Ru助催化剂在TiO2载体上以RuO2纳米颗粒和高度分散的Ru单原子两种形式共同存在，两者共存能够有效调控催化剂的表面结构和电子结构，从而协同提升光催化活性。
[0021]2、本专利技术催化剂是由Ru助催化剂和锐钛矿相TiO2载体组成，其中TiO2载体呈花状球形纳米分级结构，这种纳米结构具有较高的比表面积，能够暴露更多的催化活性位，从而更利于提高催化性能。
[0022]3、本专利技术催化剂是利用富含氨基(
‑
NH2)的TiO2浸渍吸附Ru
3+
然后在空气氛围煅烧的方法合成；二乙烯三胺辅助水热合成的TiO2纳米花不仅具有较大的比表面积，而且表面含有丰富的
‑
NH2，可以有效的吸附Ru
3+
得到Ru/TiO2‑
NH2前驱体，在煅烧过程中原位得到Ru/TiO2催化剂。该合成方法步骤简便，设备要求低，原料价格低，能明显降低生产成本，制得的产品纯度高，杂质残留少，比表面积大。
[0023]4、本专利技术催化剂是通过空气氛围高温处理得到的，Ru助催化剂(RuO2纳米颗粒和高度分散的Ru单原子)在高温煅烧过程原位形成并通过金属
‑
载体强相互作用与TiO2载体牢固结合，保证催化剂具有很好的稳定性。
[0024]5、本专利技术催化剂在常温常压、模拟太阳光照射下，在20％甲醇水溶液中催化剂浓度为0.1g/L时产氢的速率达到37.26mmol
‑1·
g
‑1·
h
‑1，在0.1mol/L的苯甲醇水溶液中产氢和苯甲醇的氧化速率分别达到2910.75μmol
‑1·
g
‑1·
h
‑1和1421.03μmol
‑1·
g
‑1·
h
‑1。本专利技术催化剂的光催化活性是商业德固赛P25的17倍。
[0025]6、本专利技术催化剂还可以用于多相催化反应、氢燃料电池、能源化工、石油化工等多个领域。
[0026]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光催化醇水体系产氢的催化剂，其特征在于：该催化剂是由RuO2纳米粒子和高度分散的Ru单原子共同负载于锐钛矿相TiO2花状球形纳米结构载体表面所构成的Ru/TiO2催化剂。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：催化剂中Ru元素的质量分数为0.5
‑
2wt.％。3.如权利要求1或2所述催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将二乙烯三胺、钛酸四异丙酯溶解于异丙醇中，然后将溶液转移到反应容器内，在180
‑
200℃下反应20
‑
36h，反应结束后冷却至室温，收集沉淀并进行洗涤、干燥，得到富含氨基的TiO2‑
NH2粉体；2)将TiO2‑
NH2粉体分散到水中得到悬浊液A，量取浓度为0.01mol/L的钌盐水溶液加入到上述悬浊液A中，搅拌5
‑
10h，得到悬浊液B；3)将悬浊液B中的固体颗粒从溶液中分离出来，干燥后得到Ru/TiO2‑
NH2粉体；4)将Ru/TiO2‑
NH2粉体置于300
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李本侠，邢兵，陈磊，卢先春，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：