一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑及其制備方法和應用技術

本發明專利技術的目的是為了對g-C3N4光催化劑進行改性、提高光催化效率，提供了一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑及其制備方法和應用，本發明專利技術屬于納米復合光催化劑領域和新能源應用領域。該催化劑由CuS和g-C3N4組成；CuS顆粒位于C3N4的類石墨烯結構表面；CuS的質量為g-C3N4質量的0.5％-6％。該方法通過硫代乙酰胺與Cu(CH3COO)2在g-C3N4表面上原位生長出CuS，制得CuS@g-C3N4復合可見光催化劑。該產品有利于提高g-C3N4對太陽光的利用率，更有利于g-C3N4表面上光生電子與空穴對的分離，顯著提高光催化產氫效率。該制備方法條件簡單，成本較低，制備的復合光催化劑的尺寸較小，利于放大生產。

【技術實現步驟摘要】
一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑及其制備方法和應用
本專利技術屬于納米復合光催化劑領域和新能源應用領域，特別涉及一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑及其制備方法和應用。
技術介紹
氫能作為最理想的能源，在新能源領域中受到了大量的研究。太陽光光催化技術可以將太陽能綠色地轉化為氫能，因此被認為是解決當前化石燃料危機的重要技術之一。高效利用的半導體材料是光催化分解水制氫技術發展的關鍵和根本。以TiO2或SrTiO3為代表的紫外光響應的光催化劑已經取得了充分的發展。但是，太陽光光譜中紫外光的成分只占5％，可見光的成分占46％，其余的為紅外光。因此，為了更好地利用太陽能，研制具有可見光活性的催化劑是光催化進一步走向產業化的必然趨勢。同時，高效可見光催化劑的研制對解決目前的環境問題和能源危機也具有深遠的意義。g-C3N4是由碳氮元素組成的雜環作為重復結構單元，具有類石墨層狀聚集結構，不溶于水，化學和光化學穩定，吸收可見光(吸收邊為450nm)，帶隙為2.7eV且具備合適的能帶位置，在熱力學上可用于分解水。該材料制備過程簡單，原料來源廣泛，成本低等特點，是非常理想的光催化制氫材料。然而，單相光催化劑的光生電子空穴復合率較高，光催化效率較差，因此需要通過對光催化劑進行改性，從而達到提高光催化效率的目的。復合光催化劑是利用不同半導體或者同一半導體不同晶型之間的能級差，選擇并制備出合適的半導體復合材料，這種復合結構可以增強電荷的分離效率，抑制光生電子與空穴的復合，復合半導體材料比單一半導體材料有著更高的光催化分解水產氫活性。硫化銅的禁帶寬度在1.2-2.0eV，屬窄帶系間接半導體材料，在可見光下有顯著的光譜響應和良好的光電特性。而納米硫化銅相對塊體硫化銅則表現出一系列特殊的光學性質，包括寬頻帶吸收、吸收譜藍移、吸收譜紅移、發光性質、非線性光學性質等特性。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了對g-C3N4光催化劑進行改性、提高光催化效率，提供了一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑及其制備方法和應用。該產品在g-C3N4表面上原位生長出CuS，制備出的CuS@g-C3N4復合光催化劑有利于提高g-C3N4對太陽光的利用率，更有利于g-C3N4表面上光生電子與空穴對的分離，顯著提高光催化產氫效率。該制備方法條件簡單，成本較低，制備的復合光催化劑的尺寸較小，利于放大生產。本專利技術的技術方案之一為，一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑，由CuS和類石墨烯結構的氮化碳(g-C3N4)組成；CuS顆粒位于氮化碳的類石墨烯結構表面；CuS的質量為g-C3N4質量的0.5％-6％；該催化劑中CuS的粒徑為5-15nm，g-C3N4片層的厚度為30-70nm。本專利技術的技術方案之二為，上述的CuS@g-C3N4復合可見光催化劑的制備方法，包括以下步驟：(1)將尿素置于加熱爐中，以2.3℃min-1～10℃min-1的升溫速度，由室溫升溫至400～600℃，再保溫1～8h，然后隨爐冷卻后研磨得到g-C3N4；(2)將g-C3N4加入到適量去離子水中，超聲攪拌使其形成均勻分散的懸濁液；其中，g-C3N4與水的重量比為1:(80-120)；(3)將質量濃度為0.1％-2％的Cu(CH3COO)2(乙酸銅)水溶液加入到步驟(2)制得的g-C3N4懸濁液中，攪拌均勻；其中，Cu(CH3COO)2和g-C3N4的質量比為(0.95-11.38):100；(4)在1000～1500r/min的轉速攪拌下，將質量濃度為0.1％-5％的硫代乙酰胺水溶液加入上述懸濁液中，然后保持該攪拌速度，將反應溶液以1～3℃min-1的速度由室溫升溫至85～95℃，再繼續保溫反應0.5～6h；其中，硫代乙酰胺與Cu(CH3COO)2的摩爾比為1:(1-5)；(5)反應結束后，將所得產物分離，洗滌，在溫度為80～160℃下干燥，即得到CuS@g-C3N4復合可見光催化劑。本專利技術的技術方案之三為，上述CuS@g-C3N4復合可見光催化劑在分解水制氫反應中的應用：將復合光催化劑加入水中，在300W氙燈光源下，用420nm濾光片過濾掉波長小于420nm的紫外光和遠紫外光，以三乙醇胺為犧牲劑，進行水解制氫反應；其中，復合光催化劑與水的固液比為1:(5-8)g/L；三乙醇胺的加入量與水的體積比為1:4。本專利技術的原理是：采用原位合成的方法，在水相中利用高比表面積的類石墨烯結構g-C3N4表面所帶電荷吸附乙酸銅溶液中的銅離子，在加入硫代乙酰胺后，利用緩慢的升熱控制硫源的釋放，緩慢釋放的硫源便與吸附在g-C3N4表面的銅離子反應，最終CuS納米粒子均勻的生長在g-C3N4納米片層的表面。與現有技術相比，本專利技術的優勢在于：1、本專利技術中的復合可見光催化劑中CuS的粒徑為5-15nm，且單分散性高，g-C3N4片的厚度為30-70nm，該結構有利于提高催化劑的催化效率；2、本專利技術具有合成路線簡單和成本低廉等優勢，因此在水分解制氫領域擁有巨大的應用前景。附圖說明圖1為本專利技術實施例1制得的CuS@g-C3N4復合光催化劑的XRD圖。圖2為對比例1制得的g-C3N4的XRD圖。圖3為對比例2制得的CuS的XRD圖。圖4為實施例1制得的CuS@g-C3N4復合光催化劑的TEM圖。圖5為不同CuS負載量的CuS@g-C3N4復合光催化劑的光催化產氫效率圖。具體實施方式實施例11、將10g尿素放于坩堝中，于馬弗爐中，以2.3℃min-1的升溫速率升溫至550℃，再保溫焙燒4h；然后冷卻研磨即得g-C3N4；2、取1g制得的g-C3N4加入到100ml去離子水中，超聲攪拌使其形成均勻分散的g-C3N4懸濁液；3、將0.019g乙酸銅溶解于10ml去離子水中制備乙酸銅溶液后，倒入懸濁液中超聲攪拌30分鐘，使其分散均勻；4、將0.039g硫代乙酰胺溶解于10ml去離子水中配成溶液，在1500r/min的轉速攪拌條件下，加入到上述懸濁液中；保持攪拌速度，在水浴鍋中將反應溶液以2℃min-1的升溫速度升溫至90℃后，繼續保溫反應2h；5、反應結束后，將所得產物離心分離后洗滌，在160℃鼓風干燥箱中干燥，即得到CuS@g-C3N4復合可見光催化劑，圖1為復合可見光催化劑的XRD圖。經檢測，CuS位于氮化碳表面，CuS的質量為氮化碳質量的1％；CuS的粒徑為5-15nm，g-C3N4片層的厚度為30-70nm。該催化劑外觀如圖4所示，圖4(a)是所制備CuS@g-C3N4復合光催化劑的低倍投射圖，圖中黑色的納米粒子是硫化銅納米粒子，褶皺狀淺色物質為g-C3N4，硫化銅納米粒子均勻的生長在g-C3N4的表面上；圖4(b)是所制備CuS@g-C3N4復合光催化劑的高倍投射圖，圖中硫化銅納米粒子的直徑在5-15nm之間，且納米粒子之間無團聚現象。對比例1純g-C3N4的制備：單純g-C3N4采用實施例1中的步驟(1)制得；從圖2的XRD表征結果可以看到，單純g-C3N4催化劑在13.1°和27.4°處存在兩個衍射峰，它們分別對應于g-C3N4(100)面的特征衍射峰和(002)面的特征峰。對比例2純CuS的制備：反應的步驟如上述實施例1，只是在催化劑制備過程中不加g-C3N4粉末，制得單純CuS材料；從圖3的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種CuS@g?C3N4復合可見光催化劑，其特征在于，由CuS和g?C3N4組成；所述的CuS顆粒位于C3N4的類石墨烯結構表面；CuS的質量為g?C3N4質量的0.5％?6％。

【技術特征摘要】
1.一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑，其特征在于，由CuS和g-C3N4組成；所述的CuS顆粒位于C3N4的類石墨烯結構表面；CuS的質量為g-C3N4質量的0.5％-6％；所述CuS的粒徑為5-15nm，g-C3N4片層的厚度為30-70nm。2.權利要求1所述的一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將尿素置于加熱爐中，由室溫升溫至400～600℃，再保溫1～8h，然后隨爐冷卻后研磨得到g-C3N4；(2)將g-C3N4加入到適量去離子水中，超聲攪拌使其形成均勻分散的懸濁液；(3)將Cu(CH3COO)2水溶液加入到步驟(2)制得的g-C3N4懸濁液中，攪拌均勻；(4)在1000～1500r/min轉速的攪拌條件下，將硫代乙酰胺水溶液加入上述懸濁液中；然后保持該攪拌速度，將反應溶液由室溫升溫至85～95℃后，再繼續保溫反應0.5～6h；(5)反應結束后，將所得產物分離，洗滌，在溫度為80～160℃下干燥，即得到CuS@g-C3N4復合可見光催化劑。3.根據權利要求2所述的一種CuS@g-C3N4復合可見光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述升溫的升溫速度為2.3℃min-1～10℃min-1；步驟(4)中所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉明昊，
申請(專利權)人：劉明昊，
類型：發明
國別省市：遼寧;21