一種摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑及其制備方法，該方法首先選擇鉬酸鈉和硫代乙酰胺作為原料，采用水熱法制備二硫化鉬納米片；然后將二硫化鉬納米片在氨氣氣氛下熱處理，得到摻氮二硫化鉬納米片，最后將摻氮二硫化鉬納米片以光還原法負(fù)載貴金屬鉑，即得摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑。本發(fā)明專利技術(shù)制備的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑首次實(shí)現(xiàn)了以二硫化鉬作為光催化劑，進(jìn)行可見光光催化分解水制氫。本發(fā)明專利技術(shù)制得的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑具有優(yōu)良的可見光光催化制氫能力，并且具有良好的穩(wěn)定性。本發(fā)明專利技術(shù)操作簡單，重復(fù)性好，擴(kuò)展了二硫化鉬在光催化方面的應(yīng)用以及電化學(xué)方面的應(yīng)用。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于氫能制備領(lǐng)域，涉及氫能的光催化潔凈制備技術(shù)，即模擬太陽光可見光照射條件下以水為原料的光催化制氫技術(shù)，具體涉及一種摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑及其制備方法。
技術(shù)介紹
當(dāng)今世界隨著石油、煤炭和天然氣等傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭，以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，人類即將面臨能源枯竭的危機(jī)。因此，開發(fā)發(fā)展?jié)崈舻摹⒖稍偕哪茉词悄壳笆澜绺鲊种匾暤难芯糠较颉，F(xiàn)如今有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉从刑柲堋⒌責(zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、核能以及生物質(zhì)能等存在于自然界中的能源。而在這些能源中太陽能是一種理論上可以說取之不盡而且不污染環(huán)境的能源，有極好的發(fā)展前景。但是由于太陽能不穩(wěn)定、分散性強(qiáng)、不連續(xù)和不均勻，所以如何將太陽能高效的轉(zhuǎn)化為化學(xué)能或電能是現(xiàn)階段需要攻克的難題，也是將其投入市場化的最大制約因素。我國堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展道路，開發(fā)新能源符合我國可持續(xù)發(fā)展道路，如果能夠充分利用太陽能，對我國未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展可起到極大的推動(dòng)作用。由于氫氣燃燒直接生成水，能量密度高，而且地球上存在大量的水資源并且可以循環(huán)利用，以及氫具有可儲(chǔ)存、可運(yùn)輸、無污染等優(yōu)點(diǎn)，氫能被認(rèn)為是一種理想的二次能源。現(xiàn)如今隨著以燃料電池為代表的各種氫能利用技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來人類對氫能的需求量將大幅度上升。可以預(yù)見氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代在未來可能來臨。然而還存在一些難題制約氫能的發(fā)展，比如要真正實(shí)現(xiàn)氫作為能源的使用，需要解決氫的規(guī)模生產(chǎn)、儲(chǔ)存及輸送等一系列關(guān)鍵問題。根據(jù)能量守恒定理，制氫過程必然需要消耗能量，研究表明水、生物質(zhì)、天然氣和煤等物質(zhì)都可作為制氫原料。考慮到可持續(xù)發(fā)展和可再生能源等因素，以水和生物質(zhì)為原料，利用太陽能制氫是相對較佳的制氫途徑。太陽能光催化分解水制氫，為太陽能的氫能轉(zhuǎn)化提供了一種可能實(shí)現(xiàn)的途徑，是當(dāng)今乃至未來最有潛力實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并獲得廉價(jià)氫氣的高薪技術(shù)。光催化分解水制氫的原理是：在一定能量光的照射下，催化劑受到激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴對。電子和空穴對遷移到催化劑表面，其中電子和水反應(yīng)制氫，而空穴被體系中所加的適當(dāng)?shù)臓奚鼊┧摹?shí)現(xiàn)太陽能光催化分解水的關(guān)鍵是找到高效、低成本和穩(wěn)定的可見光光催化劑。目前國際上盡管有大量可見光響應(yīng)的光催化劑的報(bào)道，但是依然與高效、低成本等要求相距甚遠(yuǎn)。納米二硫化鉬(MoS2)作為一種過渡金屬層狀硫化物，因其良好的光學(xué)、電學(xué)、潤滑以及催化劑等性能引起了人們的廣泛關(guān)注。二硫化鉬常在光催化分解水制氫中作為替代鉑的低成本非貴金屬助催化劑，表現(xiàn)出鉑相當(dāng)?shù)拇呋阅?CN104338547A，2015.02.11)。李燦院士課題組在2008年將MoS2負(fù)載到硫化鎘光催化劑上，在可見光照射下MoS2可以替代貴金屬(鉑、鈀等)使硫化鎘更高效地分解水制氫(J.Am.Chem.Soc.,2008,130,7176-7177)。理論上二硫化鉬也是具有可見光分解水制氫的能力，但是由于二硫化鉬的導(dǎo)帶位置偏低，離水的還原電勢位置太近，可見光激發(fā)光生電子不足以還原水中的氫離子生成氫氣，因此二硫化鉬沒有被單獨(dú)作為可見光催化分解水制氫的光催化劑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑及其制備方法，該方法制得的催化劑具有可見光照射下光催化分解水制氫的能力。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：一種摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，包括以下步驟：1)室溫下，將質(zhì)量比為1:(1～3)的二水合鉬酸鈉和硫代乙酰胺依次攪拌溶解在水中，得到混合溶液，將混合溶液在室溫下攪拌均勻后進(jìn)行水熱反應(yīng)，于200～220℃晶化24～48h，待水熱反應(yīng)結(jié)束后降至室溫，將反應(yīng)得到的沉淀洗滌、干燥，即得到二硫化鉬納米片；2)將步驟1)制得的二硫化鉬納米片在氨氣氣氛下及400～700℃的溫度下進(jìn)行1～1.5h的熱處理，然后降至室溫，即得到摻氮二硫化鉬納米片；3)利用光還原法在步驟2)制得的摻氮二硫化鉬納米片上負(fù)載鉑，即得到摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑；其中負(fù)載的鉑的質(zhì)量為摻氮二硫化鉬納米片質(zhì)量的0.5～5％。所述的混合溶液中二水合鉬酸鈉的濃度為40～50g/L，硫代乙酰胺的濃度為40～150g/L。所述步驟1)中洗滌時(shí)使用的洗滌溶劑為水和乙醇，所述的干燥是在50～80℃下真空干燥24～48h。所述步驟2)中的熱處理在高溫管式爐中進(jìn)行，在熱處理過程中，高溫管式爐中保持100～150mL/min的氨氣氣氛。所述步驟3)中負(fù)載鉑的具體步驟如下：向反應(yīng)器中加入步驟2)制得的摻氮二硫化鉬納米片、氯鉑酸水溶液、犧牲劑和水，得到反應(yīng)體系，其中加入的氯鉑酸水溶液中所含的鉑的質(zhì)量為加入的摻氮二硫化鉬納米片質(zhì)量的0.5～5％，然后去除反應(yīng)器中的氧氣，再打開氙燈，使反應(yīng)器中的反應(yīng)體系在氙燈的照射及攪拌條件下進(jìn)行1～3h的光還原反應(yīng)，即將鉑負(fù)載在摻氮二硫化鉬納米片上。所述的犧牲劑為甲酸，加入的犧牲劑的體積為整個(gè)反應(yīng)體系體積的10～20％。所述反應(yīng)體系中摻氮二硫化鉬納米片的含量為0.25～1g/L。在打開氙燈前向反應(yīng)器中通氮?dú)獯祾?0～30min，以除去反應(yīng)器中的氧氣。反應(yīng)過程中的攪拌速度為500～800r/min。所述的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法制得的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑，由摻氮二硫化鉬納米片及負(fù)載在其中的鉑組成，其中負(fù)載的鉑的質(zhì)量為摻氮二硫化鉬納米片質(zhì)量的0.5～5％，而摻氮二硫化鉬納米片是通過將二硫化鉬納米片中的部分硫原子替換成氮原子后得到的，該催化劑在可見光照射下光催化分解水制氫時(shí)的產(chǎn)氫活性為0.03～0.19mmol·h-1·g-1。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)的有益效果為：本專利技術(shù)提供的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，先以二水合鉬酸鈉和硫代乙酰胺作為原料，采用水熱法制備二硫化鉬納米片；然后將二硫化鉬納米片在氨氣氣氛下熱處理，得到摻氮二硫化鉬納米片，最后以光還原法在摻氮二硫化鉬納米片上負(fù)載貴金屬鉑，即得到摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑。本專利技術(shù)制備的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑，一方面氨氣的處理，使部分的N原子替換了二硫化鉬中的S原子，改變了二硫化鉬的光催化性能，另一方面鉑的存在有效抑制了光生電子空穴對的復(fù)合，從而使二硫化鉬具有了可見光照射下光催化分解水制氫的能力，表現(xiàn)出了良好和穩(wěn)定的產(chǎn)氫能力，實(shí)現(xiàn)了二硫化鉬可見光光催化制氫。而經(jīng)對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沒有摻氮的二硫化鉬載鉑光催化劑是沒有可見光光催化分解水的能力的。本專利技術(shù)操作簡單，重復(fù)性好，擴(kuò)展了二硫化鉬在光催化方面的應(yīng)用以及電化學(xué)方面的應(yīng)用。本專利技術(shù)制備的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑由摻氮二硫化鉬納米片及負(fù)載在其中的鉑組成，其中負(fù)載的鉑的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)室溫下，將質(zhì)量比為1:(1～3)的二水合鉬酸鈉和硫代乙酰胺依次攪拌溶解在水中，得到混合溶液，將混合溶液在室溫下攪拌均勻后進(jìn)行水熱反應(yīng)，于200～220℃晶化24～48h，待水熱反應(yīng)結(jié)束后降至室溫，將反應(yīng)得到的沉淀洗滌、干燥，即得到二硫化鉬納米片；2)將步驟1)制得的二硫化鉬納米片在氨氣氣氛下及400～700℃的溫度下進(jìn)行1～1.5h的熱處理，然后降至室溫，即得到摻氮二硫化鉬納米片；3)利用光還原法在步驟2)制得的摻氮二硫化鉬納米片上負(fù)載鉑，即得到摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑；其中負(fù)載的鉑的質(zhì)量為摻氮二硫化鉬納米片質(zhì)量的0.5～5％。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
1)室溫下，將質(zhì)量比為1:(1～3)的二水合鉬酸鈉和硫代乙酰胺依次攪拌溶解在水中，得到
混合溶液，將混合溶液在室溫下攪拌均勻后進(jìn)行水熱反應(yīng)，于200～220℃晶化24～48h，待水熱
反應(yīng)結(jié)束后降至室溫，將反應(yīng)得到的沉淀洗滌、干燥，即得到二硫化鉬納米片；
2)將步驟1)制得的二硫化鉬納米片在氨氣氣氛下及400～700℃的溫度下進(jìn)行1～1.5h的
熱處理，然后降至室溫，即得到摻氮二硫化鉬納米片；
3)利用光還原法在步驟2)制得的摻氮二硫化鉬納米片上負(fù)載鉑，即得到摻氮二硫化鉬
載鉑光催化劑；其中負(fù)載的鉑的質(zhì)量為摻氮二硫化鉬納米片質(zhì)量的0.5～5％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，其特征在于：所述的
混合溶液中二水合鉬酸鈉的濃度為40～50g/L，硫代乙酰胺的濃度為40～150g/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，其特征在于：所述步
驟1)中洗滌時(shí)使用的洗滌溶劑為水和乙醇，所述的干燥是在50～80℃下真空干燥24～48h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，其特征在于：所述步
驟2)中的熱處理在高溫管式爐中進(jìn)行，在熱處理過程中，高溫管式爐中保持100～150mL/min
的氨氣氣氛。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻氮二硫化鉬載鉑光催化劑的制備方法，其特征在于：所述步
驟3)中負(fù)載鉑的具體步驟如下：向反應(yīng)器中加入...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：師進(jìn)文，張亞周，胡逾超，郭烈錦，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61