一种p-n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3、制备方法及其应用技术

一种p

【技术实现步骤摘要】
一种p
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n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于能量存储与转换
，具体涉及一种p
‑
n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3、制备方法及其在光催化分解水制氢中的应用(M为Ca、Sr或Ba)。

技术介绍

[0002]如今，随着全球人口的快速增长和生活质量的不断提高，化石燃料(如石油、煤炭和天然气等)被大量消耗，随之带来了全球范围内的能源危机和环境污染问题，同时也大大提高了世界对无碳绿色能源的需求，如太阳能、水能、氢能、风能和潮汐能等。其中，氢能作为一种重要的可持续无碳清洁能源，将在世界能源格局中发挥重要作用。近年来，光催化分解水制氢技术成为构建清洁可再生能源体系的一种极具吸引力的技术，该技术将太阳能以化学键的形式储存起来，被认为是太阳能转化为氢能的理想方法。而且，越来越多的研究表明，光催化分解水产氢的关键是找到高效的光催化剂材料。因此，科研人员花费了大量精力来合成不同类型的光催化剂，可以简单分为单一半导体材料和半导体异质结复合材料，其中半导体异质结复合材料通过提高光生载流子对的分离速率，并降低它们的复合效率，有效地提高了光催化分解水析氢活性。最近，p
‑
n异质结由于可以形成内建电场并有效地促进光生电子
‑
空穴对的分离和迁移，受到了科研人员的青睐。例如，Qianqian Chi(Nanoscale,2021,13,4496
‑
4504)等人利用TiO2和BiOBr构建了一个具有强内建电场的p
‑
n异质结，内建电场大大加速了光生电子
‑
空穴对的分离和迁移。在可见光照射下(λ>420nm)，当TiO2和BiOBr的摩尔比为3:1时表现出最佳的光催化全分解水性能：析氢和析氧速率分别为472.7μmol g
‑1h
‑1和95.7μmol g
‑1h
‑1。Maha Alhaddad(J.Mater.Res.Technol.2020,9,15335
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15345)等人以软模板和硬模板溶胶
‑
凝胶法分别制备介孔Cu2O和g
‑
C3N4，然后用超声辅助混合法制备Cu2O/g
‑
C3N
4 p
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n异质结复合材料。在模拟太阳光照射下，Cu2O/g
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C3N4复合样品的最高析氢速率分别是Cu2O和g
‑
C3N4的17和38倍。因此，构建低成本且高效的p
‑
n异质结复合材料用于光催化分解水产氢仍然是一项非常有意义的工作。
[0003]钙钛矿型氧化物MTiO3(M＝Mg、Ca、Sr、Ba和Pb等)因其独特的物理化学性能在光催化、超导体、热电、铁电、压电和介电器件等方面得到了广泛的研究。而且，钛酸盐又因其优良的耐光腐蚀性能、高热稳定性、无毒和低成本等优点被认为是很有前途的光催化剂材料。另外，氧化亚铜(Cu2O)可以吸收可见光(E
g
约为2.2eV)，被广泛用于光催化分解水和降解有机污染物，且具有低毒性和成本低等优点。MTiO3和Cu2O分别是典型的n和p型半导体，一旦将p
‑
Cu2O纳米粒子负载到n
‑
MTiO3的表面，就可以在Cu2O/MTiO3复合材料中构建p
‑
n异质结，其内建电场有利于光生电子
‑
空穴对的分离和转移，从而促进光催化产氢活性的提高。因此构建Cu2O/MTiO
3 p
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n异质结复合材料并研究它们的光催化产氢性能是很有意义的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种新型的p
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n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3。
[0005]本专利技术利用水热法及NaBH4还原法构建p
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n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3。当
Cu2O和MTiO3接触之后形成p
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n异质结，由于存在载流子浓度梯度，刚开始发生扩散运动时，电子从n区(MTiO3)流向p区(Cu2O)，空穴则从p区流向n区，当达到平衡后会在p
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n异质结中形成内建电场。因此，在模拟太阳光照射下，在Cu2O/MTiO
3 p
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n异质结复合样品中产生光生电子和空穴。同时，在内建电场的作用下，光生电子从Cu2O的导带流向MTiO3的导带，还原H
+
得到H2；光生空穴从MTiO3的价带流向Cu2O的价带，最后被牺牲试剂甲醇消耗掉，抑制了光生电子
‑
空穴对的复合，提高了Cu2O/MTiO3复合光催化剂的分解水产氢活性。此外，Cu2O/MTiO3复合材料也可以制成电极材料，在紫外可见光照射下具有良好的光电响应和强的光吸收能力，且可以增强光电转换性能，使复合光催化剂Cu2O/MTiO3在太阳能电池领域具有一定的应用前景。
[0006]本专利技术制备的p
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n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3，可以通过以下三个方面提高光催化效率：1、中空MTiO3具有大的比表面积，不仅有利于Cu2O纳米颗粒的负载，而且可以提供更多的光催化活性位点；2、Cu2O与MTiO3之间的内建电场效应可以加速光生电子
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空穴对的分离和迁移。因此本专利技术制备的p
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n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3能够从多个方面有效促进光生电荷的分离和迁移，并降低它们的复合效率，从而提高光催化产氢的性能。本专利技术的复合光催化剂具有制备方法简单、光电转换效率提高明显并且具有高效的光催化分解水制氢效果。
[0007]本专利技术所述的p
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n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3的制备方法，其步骤如下：
[0008]1)Cu2O的制备
[0009]将30～70mg可溶于水的铜盐和10～30mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于含有9～21mL易溶于水的醇类溶剂和21～49mL水的混合溶剂中，磁力搅拌3～5min后再超声10～15min；随后在磁力搅拌下将0.1～0.2g NaBH4加入到上述溶液中，磁力搅拌反应4～6h，再超声20～40min；再用去离子水和无水乙醇离心洗涤所得沉淀多次，50～60℃烘干8～12h，得到Cu2O；
[0010]2)MTiO3的制备
[0011]首先将1.18～3.54g M(NO3)2·
4H2O溶解于20～60mL去离子水中，磁力搅拌10～20min，然后向其中加入1.7～5.1mL Ti(C4H9O)4和0.4～1.2g NaOH，磁力搅拌1～2h后将得到的白色悬浊液体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，180～200℃下水热处理24～36h；反应结束后，反应釜自然冷却至室温，用醋酸水溶液(体积分数为20～30％)将得到的白色沉淀洗涤至中性，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种p
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n异质结复合光催化剂Cu2O/MTiO3的制备方法，其步骤如下：1)MTiO3的制备首先将1.18～3.54g M(NO3)2·
4H2O溶解于20～60mL去离子水中，磁力搅拌10～20min，然后向其中加入1.7～5.1mL Ti(C4H9O)4和0.4～1.2g NaOH，磁力搅拌1～2h后将得到的白色悬浊液体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，180～200℃下水热处理24～36h；反应结束后，反应釜自然冷却至室温，用稀醋酸水溶液将得到的白色沉淀洗涤至中性，然后用去离子水和无水乙醇离心洗涤所得到的沉淀多次，60～80℃下烘干8～12h，得到MTiO3，M为Ca、Sr或Ba；2)复合光催化剂Cu2O/CaTiO3的制备将2～50mg可溶于水的铜盐、20～70mg MTiO3和10～30mg聚乙烯吡咯烷酮加入含有9～21mL易溶于水的醇类溶剂和21～49mL水的混合溶剂中，磁力搅拌3～5min后再超声10～15min；随后在磁力搅拌下将0.1～0.2gNaBH4加入到上述溶液中，磁力搅拌反应4～6h，再超声20～40min；再用去离子水和无水乙醇离心洗涤所得到的沉淀多次，50～60℃烘干...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹升燕，杨俊锋，董妍惠，崔皓，佘萍，孙航，秦伟平，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：