一种光解水产氢Ru单原子负载催化剂的制备方法技术

本发明专利技术设计了一种二维单层二氧化钛纳米薄片（TiNS），将其作为载体，利用温和的光沉积方法将Ru金属以单分散形式负载在纳米片上，制备单原子催化剂（RuO

【技术实现步骤摘要】
一种光解水产氢Ru单原子负载催化剂的制备方法
[0001]
：本专利技术涉及一种催化剂的制备方法。
[0002]
技术介绍
：自1972年，Fujishima和Honda首次报道了二氧化钛作为水分解光催化剂后，TiO2被大量应用于高效光催化产氢的反应中。但是，纯二氧化钛具有较大的带隙（锐钛矿型，3.2 eV；金红石型，3.0 eV），只能在紫外线范围内产生光生电子空穴。因此要实现其在可见光范围内的反应，需要对TiO2基底改性。具有100％原子利用率的单原子催化剂（SAC）在许多领域都显示出优异的性能。单原子催化剂有可能是高效可见光产氢催化剂的有效可能路线。通过光沉积方法将钌原子以单分散形式沉积在单层二氧化钛纳米片表面，表现出了优异的mmol h
‑
1 g
‑1量级的产氢效率。
[0003]
技术实现思路
：本专利技术的目的是为了解决光催化剂中TiO2无法对可见光产生响应导致光解水产氢反应中的催化效率低的问题。提供了一种使用光沉积方法制备Ru单原子负载TiO2二维纳米片的方法，用于高效光解水产氢。
[0004]本专利技术提供Ru单原子负载TiO2纳米片催化剂的制备方法按照以下步骤进行：(1)利用软化学插层法制备TiO2纳米片悬浊液，将TiO2、K2CO3和Li2CO3在干燥室温下按照13：3：1的比例通过研钵进行均匀混合，再将研磨得到的混合物高温煅烧除碳，冷却到室温后再研磨，再进行煅烧，降至室温后生成K
0.8
Ti
1.73
Li
0.27
O4；(2) 将得到的K
0.8
Ti
1.73
Li
0.27
O4固体进行研磨，并通过置于足量的HCl溶液进行质子化过程，替换样品中的K与Li离子。经过大量清水洗涤，在过夜真空干燥得到H
1.07
Ti
1.73
O4粉末。
[0005](3)将得到的粉末置于(C4H9)4NOH溶液中，在室温下充分搅拌9天，最后反应得到TiNS纳米片胶体悬浮液。
[0006](4) 通过滴加适量的稀盐酸溶液将TiNS与溶液进行有效分离，通过大量水溶液进行清洗，去除过量的(C4H9)4NOH，最后通过冻干得到白色粉末样品TiNS。
[0007](5) 采用了成熟的光沉积方法:将TiNS粉末分散在水溶液中，充分搅拌，加入空穴牺牲剂充分混合，再加入RuCl3并通入保护气；使用氙灯直接照射溶液，使Ru元素负载再TiNS表面上，得到RuO
x
/TiNS溶液。
[0008](6) 使用大量水将所得样品洗涤，去除没有负载的RuCl3，最后冻干得到RuO
x
/TiNS粉末。
[0009]本专利技术与现有的TiO2光解水催化剂相比，所产生的有益效果体现再以下方面：1、RuO
x
/TiNS单原子催化剂使TiO2在可见光下的产氢从无到有，达到了1.50mmol h
‑
1 g
‑1的产氢效率；2、在全光谱条件下，有效提升了TiO2催化剂的光解水产氢效率，达到6.0mmol h
‑
1 g
‑1；3、本专利技术的制备方法简易，对合成条件要求低。
[0010]附图说明：图1为RuO
x
/TiNS催化剂的SEM图。
[0011]图2为RuO
x
/TiNS催化剂的HAADF
‑
STEM图。
[0012]具体实施方式：下面进一步说明催化剂的制备方法及光解水产氢的评价方法示例1纯TiNS的制备步骤1：将TiO2、K2CO3和Li2CO3在干燥环境下，按13：1：3的比例室温研磨均匀，放入Pt金属干锅中，置于马弗炉中800
°
煅烧，将固体进行充分研磨后，继续1000
°
煅烧，冷却后获得K
0.8
Ti
1.73
Li
0.27
O4。
[0013]步骤2：将K
0.8
Ti
1.73
Li
0.27
O4置于1M浓度的HCl中置换三次，将K，Li离子置换，得到质子化的H
1.07
Ti
1.73
O4，并通过真空干燥得到白色粉末。
[0014]步骤3：将1g H
1.07
Ti
1.73
O4和250mL的对应的(C4H9)4NOH (TBAOH)溶液混合，在室温下置于摇床中9天，使TiNS充分由体相剥离为单层二维纳米片结构，宏观表现为乳白色胶体悬浮液。
[0015]步骤4：取TiNS溶液上层清液加入适量的稀HCl沉淀，将TiNS与溶液分离，并通过大量的水溶液进行冲洗，以去除TBAOH的残留。
[0016]步骤5：将离心得到的TiNS进行冷冻干燥，3天后得到TiNS白色固体粉末。
[0017]示例2RuO
x
/TiNS催化剂的制备步骤1：将定量的TiNS溶入水溶液中搅拌充分。
[0018]步骤2：将适量的RuCl3溶于水中，逐滴加入TiNS的水溶液中，充分搅拌。
[0019]步骤3：通入保护性气体将溶液中的空气排空。
[0020]步骤4：通过氙灯照射溶液，使RuCl3还原，并以单原子形式负载于TiNS基底上。
[0021]步骤5：将反应后的催化剂溶液进行离心分离，通过大量的水冲洗，去除残留的RuCl3。将得到的样品进行冷冻干燥最后得到棕色催化剂样品RuO
x
/TiNS。
[0022]示例3对本专利技术中制备的催化剂RuO
x
/TiNS的光解水产氢性能的评价方法如下：将适量的RuO
x
/TiNS放入含有空穴捕获剂的水溶液中充分搅拌。通入保护性气体，将溶液中的空气排空。分别在氙灯中的全光谱和可见光范围内，照射溶液，使催化剂RuO
x
/TiNS被光激发出的电子参与产氢的反应中。在固定的时间间隔下，通过气象色谱测得催化剂的产氢效率，如表1所示。
[0023]表1
编号催化剂产氢效率可见光mmolh
‑1g
‑1产氢效率全光谱mmolh
‑1g
‑11TiN0.01.02RuO
x
/TiNS1.56.0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光解水产氢Ru单原子负载催化剂的制备方法，包括如下步骤：（1）首先用软化学方法制备TiO2纳米薄片胶体悬浮液，其制备步骤为：将TiO2、K2CO3和Li2CO3按13：3：1的比例进行研磨，高温煅烧，降至室温后生成K
0.8
Ti
1.73
Li
0.27
O4；再将K
0.8
Ti
1.73
Li
0.27
O4进行研磨后通过足量的HCl溶液进行质子化，烘干得到H
1.07
Ti
1.73
O4粉末；将H
1.07
Ti
1.73
O4粉末置于插层剂四丁基氢氧化铵 (TBAOH)溶液中，在室温下搅拌9天得到TiNS乳白色胶体悬浊液;（2）使用稀盐酸溶液将TiNS沉淀与溶液分离，并用过大量的水溶液将多余的TBAOH洗净，冻干后得到TiNS粉末；（3）通过光沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡建华，
申请(专利权)人：天津金玺科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：