一种水裂解产氢的光催化制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水裂解产氢的光催化制备方法。H2是一种绿色环保的理想能源，我们利用清洁环保的太阳能，在没有使用助催化剂的情况下，以水为溶剂，在PDI COF/CdS催化剂作用下，通过光催化裂解水分子制得H2。本方法的反应条件是以硫化钠和亚硫酸钠作为空穴牺牲剂，在常温下进行。通过调控PDI COF/CdS催化剂中PDI COF的含量，来控制PDI COF/CdS的质量分数比，结果显示，7％

【技术实现步骤摘要】
一种水裂解产氢的光催化制备方法


[0001]本专利技术属于能源材料领域，具体涉及一种水裂解产氢的光催化制备方法。

技术介绍

[0002]氢气作为一种优质的能源载体，不仅可以用于医学治疗，保健与美容领域，也是一种十分重要的工业原料，它广泛应用于石油、化工、电子、冶金、油脂、航天、轻工业等领域。氢(H2)被认为是新能源系统中最清洁的能源，因为它的燃烧产物只有水(H2O)。
[0003]目前工业生产氢气的方法有很多种，包括从化石燃料例如天然气中制取、重油部分氧化、甲醇重整以及水电解等。但是，这些技术成本高昂且对环境不友好，因为需要消耗大量的热能或电能，特别是在化石燃料制氢中，不仅会消耗不可再生的化石燃料，还会生成大量CO2作为副产物。对于水的电解来说，需要解决包括电极寿命短和生成副产物例如氧气在内的各种问题。因此，迫切需要开发一种高效、环保和低成本的氢气生产方法。作为最有前途的氢气生产方法之一，半导体光催化具有安全、无污染和节能的优点。在这个过程中，源于半导体材料的导带上的光生电子可以还原H2O产生氢气。在各种半导体中，共价有机框架(COFs)由于其高结晶度、大表面表面积和可预先设计的结构而被认为是光催化制氢的创新和有前途的候选者。同时，COF基光催化剂在光催化相关应用中得到了广泛的研究。这主要归功于其独特的二维架构、可调电子结构、环境友好特性和出色的化学稳定性。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足以及本领域研究和应用的需求，本项目旨在提供一种安全环保、稳定高效、绿色经济的水裂解产氢的方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案是：利用光催化手段，通过选择PDI COF/CdS作为光催化剂，在不使用助催化剂的情况下，以水作为溶剂用于提供还原反应中所需氢质子，在常温、可见光照射下，实现水裂解产氢。
[0006]具体步骤如下：
①
向水溶液中加入固定量的空穴牺牲剂和不同比例的PDI COF/CdS光催化剂，并通过超声搅拌30min使其形成均相溶液；
②
在产氢仪器中对反应溶液进行抽真空处理，以去除空气；
③
300W氙灯通过顶照式将可见光射入反应器中，反应器温度通过水循环冷凝控制25℃，经过一定的反应时间，制备得到产物氢气。
④
通过控制产氢仪器的阀门，每隔一段反应时间，将反应器中产生的气体排入气相色谱仪(GC7900)中，检测产物的产量。
[0007]优选的，步骤
①
中，所述的加入牺牲剂后水溶液总体积是100mL。
[0008]优选的，步骤
①
中，所述加入的空穴牺牲剂为硫化钠和亚硫酸钠，且两者质量分别是8.4g和3.15g。
[0009]优选的，步骤
①
中，所述PDI COF/CdS光催化剂的比例是1％，3％，5％，7％和9％，分别表示为1％
‑
PDI COF/CdS，3％
‑
PDI COF/CdS，5％
‑
PDI COF/CdS，7％
‑
PDI COF/CdS，9％
‑
PDI COF/CdS。
[0010]优选的，步骤
①
中，所述加入PDI COF/CdS催化剂质量是5mg。
[0011]优选的，步骤
③
中，所述可见光是指波长≥420nm的光。
[0012]优选的，步骤
④
中，所述检测产物的时间间隔为1h。
[0013]本专利技术的有益效果在于：(1)利用绿色环保的光催化手段制备氢气，反应条件无需高温、高压的条件下即可将水裂解为氢气；(2)本专利技术的使用的PDI COF光催化剂在无外加贵金属助催化剂条件下表现出良好的光催化生产氢气的性能，氢气的产量经过6h可达到109.04μmol，并且在循环测试中表现良好的稳定性，该方法的应用不仅降低了催化剂成本，节约了资源，而且避免了苛刻的合成条件，对催化剂推广使用具有重大意义。
附图说明
[0014]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0015]图1是实施例1
‑
7所进行的光催化氧分子还原为过氧化氢的浓度随时间变化曲线；
[0016]图2是实施例6所进行的光催化4次循环稳定性测试；
[0017]图3是实施例1所使用的光催化剂PDI COF，实施例2所使用的光催化剂CdS和实施例6所使用的光催化剂PDI COF/CdS的结构表征；
具体实施方式
[0018]实施例1：
[0019]①
配制50mg/L的PDI COF反应溶液：向100mL水溶液中加入8.4g Na2S
·
9H2O、3.15g Na2SO3和5mg PDI COF光催化剂，超声搅拌30min使其形成均相溶液；
②
在产氢仪器中对反应溶液进行抽真空处理，以去除空气；
③
300W氙灯通过顶照式将可见光射入反应器中，反应器温度通过水循环冷凝控制25℃，经过一定的反应时间，制备得到产物氢气。
④
通过控制产氢仪器的阀门，每隔1h，将反应器中产生的气体排入气相色谱仪(GC7900)中，检测氢气的产量，6h后检测到的氢气产量为0μmol，并且反应循环4次后仍保持良好的稳定性和氢气产率，说明纯的PDI COF是无法光催化水裂解产氢的。
[0020]实施例2：
[0021]本实施例的步骤
②
、
③
、
④
与实施例1相同，不同之处在于步骤
①
：配制50mg/L的CdS反应溶液：向100mL水溶液中加入8.4g Na2S
·
9H2O、3.15g Na2SO3和5mg CdS光催化剂，超声搅拌30min使其形成均相溶液，每隔1h用气相色谱仪(GC7900)检测氢气产量，6h后氢气的产量为10.06μmol，反应循环4次后仍保持良好的稳定性和氢气产率。
[0022]实施例3：
[0023]本实施例的步骤
②
、
③
、
④
与实施例1相同，不同之处在于步骤
①
：配制50mg/L的1％
‑
PDI COF/CdS反应溶液：向100mL水溶液中加入8.4g Na2S
·
9H2O、3.15g Na2SO3和5mg1％
‑
PDI COF/CdS光催化剂，超声搅拌30min使其形成均相溶液，每隔1h用气相色谱仪(GC7900)检测氢气产量，6h后氢气的产量为9.97μmol，反应循环4次后仍保持良好的稳定性和氢气产率。
[0024]实施例4：
[0025]本实施例的步骤
②
、
③
、
④
与实施例1相同，不同之处在于步骤
①
：配制50mg/L的3％
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水裂解产氢的光催化制备方法，其特征在于：以水为溶剂，在不使用助催化剂的情况下，在PDI COF/CdS光催化剂作用下，通过光催化水裂解产氢，具有以下步骤：
①
向水溶液中加入固定量的空穴牺牲剂和不同比例的PDI COF/CdS光催化剂，并通过超声搅拌30min使其形成均相溶液；
②
在产氢仪器中对反应溶液进行抽真空处理，以去除空气；
③
300W氙灯通过顶照式将可见光射入反应器中，反应器温度通过水循环冷凝控制25℃，经过一定的反应时间，制备得到产物氢气。
④
通过控制产氢仪器的阀门，每隔一段反应时间，将反应器中产生的气体排入气相色谱仪(GC7900)中，检测产物的产量。2.根据权利要求1所述的氢气的光催化制备方法，其特征在于：步骤
①

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞宇，刘和元，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：