一种改性PDI光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种改性PDI光催化剂及其制备方法与应用，PDI表面附着Zn2InS4纳米片，构成层次化直接Z型异质结，形成HC

【技术实现步骤摘要】
一种改性PDI光催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种光催化剂，特别涉及一种改性PDI光催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]太阳能是自然界中取之不尽、用之不竭的绿色能源，而氢能具有燃烧产物无污染的特点，是极具开发利用价值的清洁能源。通过光催化技术分解水，可以将丰富的太阳能转化为氢能加以利用，开发高效光催化分解水的半导体光催化剂是该技术的关键。苝酰亚胺超分子(PDI)光催化剂具有原材料廉价、结构可控性高、制备合成步骤简单、光谱响应宽、高效稳定等优点，是近年来光催化分解水领域的研究热点。低结晶度PDI分子在实际应用中仍然面临光生电子
‑
空穴转移慢、易复合等问题，导致催化效率低。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术的第一目的为提供一种催化效率高的改性PDI光催化剂；本专利技术的第二目的为提供所述改性PDI光催化剂的制备方法；本专利技术的第三目的为提供所述改性PDI光催化剂在光催化分解水同时生成H2和O2中的应用。
[0004]技术方案：本专利技术所述的改性PDI光催化剂，PDI表面附着Zn2InS4纳米片，构成层次化直接Z型异质结，形成HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂；其中，所述PDI为高结晶度PDI，具有棒状结构。
[0005]优选的，所述PDI与Zn2InS4的质量比为1～4∶21。
[0006]本专利技术所述的改性PDI光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将3,4,9,10
‑
四羧酸酐、硫酸铵和咪唑在氮气氛围下恒温水热反应，反应结束后，冷却，然后加入盐酸使PDI析晶，抽滤，将所得产物洗涤，冷冻干燥，得到HC
‑
PDI；
[0008](2)将(1)中制备所得的HC
‑
PDI，超声分散于甘油与水的混合溶液中，再加入三氯化铟、氯化锌和硫代乙酰胺，进行反应，使ZnIn2S4生长在PDI表面，反应结束，分离沉淀物，洗涤、干燥，得到HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂。
[0009]优选的，步骤(1)中，所述水热反应温度为80～180℃，反应时间为2～10h；3,4,9,10
‑
四羧酸酐、硫酸铵和咪唑的摩尔质量比为(0.1～10)mmol:(1～200)mmol：(10～500)g。
[0010]优选的，步骤(2)中，所述反应温度为40～130℃，反应时间为0.5～8h；PDI、甘油和水的质量体积比为(0.01～10)g：(1～80)mL：(1～200)mL；三氯化铟、氯化锌和硫代乙酰胺的质量比为(0.1～10)g：(0.01～10)g：(0.05～10)g。
[0011]本专利技术的改性PDI光催化剂在光催化全解水同时生成H2和O2中的应用。
[0012]专利技术机理：硫铟锌(ZnIn2S4)具有独特、可调的电子结构，已在光催化制氢方面取得一定的应用。本专利技术将ZnIn2S4与PDI分子构建直接Z型异质结构，利用能带位置的差异抑制电子
‑
空穴对的快速复合，并且能够产生更有活性的自由基，从而提高可见光催化分解水的能力，高结晶度PDI(HC
‑
PDI)有助于增强内建电场来驱动光生载流子，机理如下所示：
[0013][0014]HC
‑
PDI和Zn2InS4之间构筑了Z型异质结，在光催化反应中，由于其独特的内建电场作用，HC
‑
PDI导带中的光激发电子自发转移到ZnIn2S4的价带上，消耗了ZnIn2S4中残留的空穴，有效地实现了光生成电子
‑
空穴对的分离，并保持了体系最强的氧化还原能力，从而有利于高效的光催化全解水，同时产生氢气和氧气。
[0015]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：(1)该催化剂通过将HC
‑
PDI与ZnIn2S4构筑Z型直接异质结，能有效抑制光生电子
‑
空穴的复合，有提高光生电子
‑
空穴的分离效率，促进光生电荷的转移，能实现高效地可见光催化分解水；(2)该制备方法简单，原料廉价易得，方法绿色简单，有着能够投入未来大规模生产的前提，在解决未来能源短缺等问题方面具有良好的应用前景；(3)该催化剂应用于催化全解水，H2和O2的析出速率最优分别为275.4μmol g
‑1h
‑1和138.4μmol g
‑1h
‑1，在光催化实际应用领域具有广阔的前景。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例3制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的扫描电镜图；
[0017]图2为本专利技术实施例3制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的透射电镜图；
[0018]图3为本专利技术制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的X射线衍射图；
[0019]图4为本专利技术实施例3制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的电子顺磁共振超氧自由基(
·
O2‑
)检测图；
[0020]图5为本专利技术实施例3制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的电子顺磁共振羟基自由基(
·
OH)检测图；
[0021]图6为本专利技术实施例3制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的电子顺磁共振空穴(h
+
)检测图；
[0022]图7为可见光照射下本专利技术实施例1～4制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的可见光催化分解水效果图；
[0023]图8为可见光照射下本专利技术实施例4和对比例1～3制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂的可见光催化分解水效果图；
[0024]图9为本专利技术实施例3制备的HC
‑
PDI@Zn2InS4直接Z型异质结光催化剂反应前后X射
线衍射图。
具体实施方式
[0025]下面结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0026]实施例1
[0027]本专利技术的改性PDI光催化剂，制备方法包括以下步骤：
[0028](1)将0.5mmol 3,4,9,10
‑
四羧酸酐、15mmol硫酸铵和20g咪唑在氮气氛围下，80℃恒温热反应10h，冷却后加入5mL浓度为1M盐酸溶液并搅拌均匀，将所得产物反复用超纯水洗涤，冷冻干燥，得到HC
‑
PDI。
[0029](2)取30mg制备的HC
‑
PDI，加入甘油与水的混合溶液中(甘油10mL，水40mL)中超声分散1.8h，再加入880mg InCl3·
4H2O、409mg氯化锌和451mg硫代乙酰胺，130℃进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性PDI光催化剂，其特征在于，PDI表面附着Zn2InS4纳米片，构成层次化直接Z型异质结，形成HC
‑
PDI@Zn2InS4复合光催化剂；其中，所述PDI为高结晶度PDI，具有棒状结构。2.根据权利要求1所述的改性PDI光催化剂，其特征在于，所述PDI与Zn2InS4的质量比为1～4∶21。3.一种权利要求1所述的改性PDI光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将3,4,9,10
‑
四羧酸酐、硫酸铵和咪唑在氮气氛围下恒温水热反应，反应结束后，冷却，然后加入盐酸使PDI析晶，抽滤，将所得产物洗涤，冷冻干燥，得到HC
‑
PDI；(2)将(1)中制备所得的HC
‑
PDI，超声分散于甘油与水的混合溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：左淦丞，何欢，王鋙葶，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：