一种硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法技术

本发明专利技术涉及一种硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法，特别是可见光驱动的析氢反应和紫外光下的二氧化碳还原反应。属于催化能源技术领域。该发明专利技术使用带有相反推拉电子能力的硫醇分子(半胱胺和巯基乙磺酸钠(MESNA))作为分子助催化剂，利用硫醇分子与AuNPs之间的强Au

【技术实现步骤摘要】
一种硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法


[0001]本专利技术涉及一种硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法，尤其是一种硫醇分子通过Au
‑
S选择性吸附到Au/TiO2表面应用于可见光下的析氢反应和紫外光下的二氧化碳还原反应，属于催化能源


技术介绍

[0002]随着人类社会的快速发展和工业生产对能源的大量消耗，利用清洁廉价的太阳能的光催化反应受到了广泛的关注。其中光催化反应的原理是在光照的条件下，光催化剂可以吸收光能，产生热电子和空穴，从而赋予催化剂本身氧化还原能力来参与化学反应过程。在实际的应用中，光催化反应常常被应用于水分解、二氧化碳还原、污染物降解以及有机物的合成等领域其中光催化反应的原理是在光照的条件下，光催化剂可以吸收光能，产生热电子和空穴，从而赋予催化剂本身氧化还原能力来参与化学反应过程。在实际的应用中，光催化反应常常被应用于水分解、二氧化碳还原、污染物降解以及有机物的合成等领域。
[0003]其中，光催化水分解反应是光催化剂在太阳光激发下实现表面的水分子分解生成氢气和氧气的化学反应过程。由于清洁、低成本和高物理化学稳定性等优点，光催化水分解反应已成为生产清洁能源(氢气)最有前途的方法之一。而光催化二氧化碳还原反应是在太阳光激发下光催化剂表面通过发生还原反应，将大气中的二氧化碳(CO2)转化为有价值的碳基燃料的过程。因而，光催化二氧化碳还原反应不仅降低了空气中CO2的含量，而且符合我国可持续发展的要求。因此，光催化反应的研究是近几年的研究热点。
[0004]其中，有关光催化剂的研究最为常见。在各种光催化剂中，TiO2纳米材料由于其高化学稳定性、无毒无害、成本低廉等优点，被誉为的“黄金”光催化剂，已被广泛应用于各种光催化反应之中。目前Au/TiO2因其良好的电荷分离能力和良好的光吸收能力，在光催化反应中被广泛应用。在光催化反应中，Au纳米颗粒得到来自TiO2的电子转移使得本身变成负电性，而在TiO2表面上会产生带正电的宽耗尽层会抑制隧道电子和热电子的注入，导致在可见光条件下Au纳米颗粒产生的热电子的利用率不高；此外，单一的Au/TiO2异质结构在光催化反应过程中还存在二氧化碳还原的选择性不高以及可见光驱动的光催化效率低等问题。因此，在实际的反应过程中，Au/TiO2异质结构需要通过表面改性来进一步提升光催化效率。
[0005]根据文献报道，传统的改性方法，例如元素掺杂、光敏剂等，存在着操作困难、化学稳定性差等缺点。与传统方法相比，硫醇分子表面吸附提升光催化性能的方法具有简单方便、成本低廉、可控性高等优点。但是，缺少硫醇分子吸附到Au/TiO2表面，从而来提升其光催化性能的文献报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是：提出一种硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光
催化反应的方法。本专利技术通过构建半胱胺
‑
Au/TiO2和MESNA
‑
Au/TiO2复合结构，相较于单一的Au/TiO2异质结构，实现了在可见光下的析氢活性提升了10倍，同时也实现了在紫外光下的二氧化碳还原为一氧化碳的选择性提升了2倍。并且，构建的复合结构在多次的循环中保持着良好的稳定性。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：使用带有相反推拉电子能力的硫醇分子半胱胺或巯基乙磺酸钠MESNA作为分子助催化剂，利用硫醇分子与AuNPs之间的强Au
‑
S键,构成半胱胺
‑
Au/TiO2和MESNA
‑
Au/TiO2复合结构，分子助催化剂吸附的Au/TiO2异质结构是通过光沉积光和简单的浸泡法两步来进行制备，其中分子助催化剂半胱胺
‑
Au/TiO2提升光催化析氢活性的具体方法如下：将分子助催化剂半胱胺吸附Au/TiO2表面构成的复合结构半胱胺
‑
Au/TiO2重新分散到含有去离子水的磨口玻璃瓶，并加入甲醇，加入的甲醇占总水溶液去离子水和甲醇体积分数为5％，作为空穴牺牲剂。之后，所得的悬浮液用塞子将瓶口密封，并用磁力搅拌器搅拌，同时保持在水浴温度为45℃。然后，使用300W氙灯为光源对反应器进行照射进行析氢反应；当光催化析氢反应体系中水溶液的pH值测得为7.5时，硫醇分子对析氢性能提升效果最好，其中水溶液的pH值是通过在0.1M NaCl水溶液加入HCl和NaCl来调节。
[0008]使用复合结构MESNA
‑
Au/TiO2提升光催化二氧化碳还原反应的具体方法如下：将研磨好的样品粉末MESNA
‑
Au/TiO2放置到光催化专用圆形纤维纸中心部分，放置到光催化反应器中，密封反应器通入二氧化碳气体，并加入去离子水。控制反应器中的磁子转速为900rpm，在氙灯光照下进行二氧化碳的还原反应。当利用浸泡法对Au/TiO2进行表面分子吸附时，混合溶液(Au/TiO2水溶液+硫醇分子水溶液)中的对巯基乙磺酸钠浓度为2μM，MESNA分子对Au/TiO2的二氧化碳还原为一氧化碳的选择性提升最明显。
[0009]其中分子助催化剂提升光催化析氢活性的具体方法如下：将分子助催化剂吸附Au/TiO2表面构成的复合结构重新分散到含有16mL去离子水的40mL磨口玻璃瓶，并加入4mL甲醇(加入的甲醇占总水溶液(去离子水+甲醇)体积分数为5％)作为空穴牺牲剂。之后，所得的悬浮液用塞子将瓶口密封，并用磁力搅拌器搅拌，同时保持在水浴温度为45℃。然后，使用300W氙灯为光源对反应器进行照射进行析氢反应。而提升光催化二氧化碳还原反应的具体方法如下：将10mg研磨好的样品粉末(复合结构)放置到光催化专用圆形纤维纸(半径为20mm)中心部分，放置到光催化反应器中，密封反应器通入二氧化碳气体，并加入0.4mL的去离子水。控制反应器中的磁子转速为900rpm，在氙灯光照下进行二氧化碳的还原反应。
[0010]优选的，分子助催化剂吸附的Au/TiO2异质结构是通过光沉积和简单的浸泡法制备，而复合结构进一步应用的光催化反应主要是析氢反应和二氧化碳还原反应。
[0011]优选的，硫醇分子选择性吸附Au/TiO2异质结构增强不同的光催化反应的方法是通过光沉积和简单的浸泡法制备，制备得到的复合结构的直径大约是30nm。
[0012]优选的，Au/TiO2异质结构的具体制备方法是：TiO2(P25，锐钛矿型)纳米颗粒溶解在30mL甲醇中配制成浓度为2mg mL
‑1的醇溶液；将配制好的甲醇溶液放在超声清洗机进行超声分散30min，使得TiO2颗粒在甲醇溶液中分散均匀。之后，在分散好醇溶液中加入1.5mL的HAuCl4.3H2O(Au
3+
的浓度是2mg mL
‑1)水溶液，混合均匀。然后，该混合溶液在冰水浴条件下搅拌，并使用300W氙灯冰浴中照射30min进行光沉积。最后，将光沉积Au/TiO2纳米复合材料用乙醇和去离子水洗涤3次，即得到分散性好的Au/TiO2异质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法，其特征在于：使用带有相反推拉电子能力的硫醇分子半胱胺或巯基乙磺酸钠MESNA作为分子助催化剂，利用硫醇分子与AuNPs之间的强Au
‑
S键,构成半胱胺
‑
Au/TiO2和MESNA
‑
Au/TiO2复合结构，分子助催化剂吸附的Au/TiO2异质结构是通过光沉积光和简单的浸泡法两步来进行制备，其中分子助催化剂半胱胺
‑
Au/TiO2提升光催化析氢活性的具体方法如下：将分子助催化剂半胱胺吸附Au/TiO2表面构成的复合结构半胱胺
‑
Au/TiO2重新分散到含有去离子水的磨口玻璃瓶，并加入甲醇，加入的甲醇占总水溶液去离子水和甲醇体积分数为5％，作为空穴牺牲剂；之后，所得的悬浮液用塞子将瓶口密封，并用磁力搅拌器搅拌，同时保持在水浴温度为45℃，然后，使用300W氙灯为光源对反应器进行照射进行析氢反应；当光催化析氢反应体系中水溶液的pH值测得为7.5，其中水溶液的pH值是通过在0.1M NaCl水溶液加入HCl和NaCl来调节；使用复合结构MESNA
‑
Au/TiO2提升光催化二氧化碳还原反应的具体方法如下：将研磨好的样品粉末MESNA
‑
Au/TiO2放置到光催化专用圆形纤维纸中心部分，放置到光催化反应器中，密封反应器通入二氧化碳气体，并加入去离子水；控制反应器中的磁子转速为900rpm，在氙灯光照下进行二氧化碳的还原反应；当利用浸泡法对Au/TiO2进行表面分子吸附时，混合溶液Au/TiO2水溶液和MESNA水溶液中的对巯基乙磺酸钠浓度为2μM。2.根据权利要求1所述硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法，其特征在于：分子助催化剂吸附的Au/TiO2异质结构是通过光沉积和简单的浸泡法制备，而复合结构进一步应用的光催化反应在于析氢反应或二氧化碳还原反应。3.根据权利要求1所述硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法，其特征在于：分子助催化剂吸附的Au/TiO2异质结构是通过光沉积和简单的浸泡法制备，制备得到的复合结构的直径是30nm。4.根据权利要求1所述硫醇分子选择性吸附异质结构增强不同的光催化反应的方法，其特征在于：Au/T...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕刚，关梦丹，王锦，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：