CN103721737A - 一种高效可见光驱动催化分解水的非金属材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效可见光驱动催化分解水的非金属材料，属于材料制备及应用领域。所述的石墨相硼碳氮作为光解水催化剂是一种稳定的无机非金属光催化剂，对太阳能的高效利用以及光催化分解水产氢产氧，拓展目前传统光解水催化材料主要以（贵）金属氧（或硫）化物为主，避开含金属催化材料自身的高成本、化学或物理不稳定及对环境不友好等缺陷。作为无机非金属的石墨相硼碳氮，具有耐化学腐蚀、耐高温、热导好以及高可见光响应等特征，使其能够在光催化领域具有更好的应用前景。本发明方法简单、原料廉价易得、低环境污染、有利于大规模的工业生产，具备显著的经济和社会效益。

Description

一种高效可见光驱动催化分解水的非金属材料
技术领域
本发明属于材料制备及应用领域，具体涉及石墨相硼碳氮作为一种高效的无机非金属光催化材料在可见光驱动下分解水产氢产氧。
背景技术
能源问题是当今国际社会关系到国计民生的的主要问题之一。围绕着新能源的研究开发，各国政府和科学家从不同的领域进行探索。自从1972年Fujishima和Honda发现TiO2光电催化分解水制氢以来, 通过太阳能驱动分解水而获得最清洁能源—氢气这种途径引起了全世界科学家的高度关注。目前，已经发现的光解水材料主要集中在修饰TiO2以及其它金属氧化物、硫化物、氮化物、氢氧化物等半导体材料上，但是含金属材料存在一些问题：光催化效率普遍不高，可见光没有响应、含金属催化材料成本高、金属化合物对环境的污染、金属化合物的化学/物理不稳定等问题。因此，寻求和拓展新型高效的非金属类光解水催化材料成为光解水方向的一个重要课题。 
发明内容
本发明的目的在于提供石墨相硼碳氮作为高效无机非金属光催化材料在可见光驱动下催化分解水，解决目前用于光催化分解水的金属化合物材料的低效性、高成本和环境污染等问题。本发明通过高温热聚合得到三元化合物，可以很好地控制其带宽出现在可见光波段，进而实现其在可见光下高效地光解水性能。石墨相硼碳氮作为无机非金属可见光光催化剂具有催化效率高、稳定性好、无毒性、易保存、成本低等优点。本发明的制备方法简单实用、原料廉价易得、低环境污染、有利于大规模工业生产，具有显著的经济和社会效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
直接采用热聚合的方法合成石墨相硼碳氮三元化合物。然后在光解水反应器里，通过筛选数据，优化催化剂合成条件，以得到最佳的光催化性能。
将氧化硼、尿素、葡萄糖按照1：2：0.3的质量比混合研磨均匀之后，取混合样品于刚玉磁舟里，再将其置于横式高温管式炉里，在氨气气氛下，以5-10℃/min速度升温到1250℃再保持4 – 8小时；取出样品0.1mol/L的稀盐酸洗涤，离心和烘干后得到石墨相硼碳氮粉体。准确称取50mg的合成的粉体催化剂置于光解水反应器里进行光解水产氢产氧性能测试。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明首次发现石墨相硼碳氮具有光催化分解水产氢产氧的性能，该材料的制备只需要简单的热聚合反应，而且该方法具有很好的可控性和重复性、制备过程简单、低环境污染，有利于大规模的工业生产。
（2）本方法制备的材料应用于光解水领域中，拓展了无机非金属材料的应用于光解水材料范围。该光催化材料不仅具有紫外光催化性能，而且具有可见光催化性能。
（3）本方法制备的材料可以稳定保存，具有耐高温、耐机械磨损、耐化学腐蚀等优点。
附图说明
图1为本发明的石墨相硼碳氮粉体的晶型图（XRD）。 
图2为本发明的石墨相硼碳氮粉体的红外谱图（FTIR）。 
图3为本发明的石墨相硼碳氮透射电镜图（TEM）。
图4为本发明的石墨相硼碳氮粉体的X射线光电子能谱图（XPS）。
图5为本发明的石墨相硼碳氮漫反射谱图（DRS）。
图6为本发明的石墨相硼碳氮光解水产氢的催化性能及循环实验图。
图7为本发明的石墨相硼碳氮光解水产氧的催化性能图。
具体实施方式
本发明的制备步骤如下：
将氧化硼、尿素、葡萄糖按照1：2：0.3的质量比混合研磨均匀之后，取混合样品于刚玉磁舟里，再将其置于横式高温管式炉里，在氨气气氛下，以5-10 ℃/min速度升温到1250℃再保持4 - 8小时；取出样品0.1mol/L的稀盐酸洗涤，离心和烘干后得到石墨相硼碳氮粉体。准确称取50mg制备的粉体催化剂置于光解水反应器里进行光解水产氢产氧性能测试。
实施例1
将氧化硼、尿素、葡萄糖按照1：2：0.3的质量比混合研磨均匀之后，取混合样品于刚玉磁舟里，再将其置于横式高温管式炉里，在氨气气氛下，以5℃/min速度升温到1250℃再保持4小时；取出样品0.1mol/L的稀盐酸洗涤，离心和烘干后得到石墨相硼碳氮粉体。准确称取50mg制备的粉体催化剂置于光解水反应器里进行光解水产氢产氧性能测试。
实施例2
将氧化硼、尿素、葡萄糖按照1：2：0.3的质量比混合研磨均匀之后，取混合样品于刚玉磁舟里，再将其置于横式高温管式炉里，在氨气气氛下，以10℃/min速度升温到1250℃再保持8小时；取出样品0.1mol/L的稀盐酸洗涤，离心和烘干后得到石墨相硼碳氮粉体。准确称取50mg制备的粉体催化剂置于光解水反应器里进行光解水产氢产氧性能测试。
实施例3
将氧化硼、尿素、葡萄糖按照1：2：0.3的质量比混合研磨均匀之后，取混合样品于刚玉磁舟里，再将其置于横放式高温管式炉里，在氨气气氛下，以7℃/min速度升温到1250℃再保持6小时；取出样品0.1mol/L的稀盐酸洗涤，离心和烘干后得到石墨相硼碳氮粉体。准确称取50mg制备的粉体催化剂置于光解水反应器里进行光解水产氢产氧性能测试。
实施例4 
光解水产氢性能测试：取50mg的催化剂分散在10%的三乙醇胺水溶液中，先超声20s时间用于分散催化剂, 根据实验要求可选择加入适量的助催化剂氯铂酸。对反应体系先抽真空直到惰性体系。同冷凝水控制反应的温度，模拟太阳光(可见光部分)光照反应体系，每隔1小时手动取样，用岛津色谱分析产物(氢气产量及其循环实验如图6所示)。本实验中所需的铂负载用的是光沉积的方法。 光解水产氧性能测试:取50mg催化剂分散在110ml的AgNO3（牺牲剂） 和La2O3（缓冲剂）的混合溶液中，同样预先超声20s用于分散催化剂。对体系抽真空，用冷凝水控温，模拟太阳光(可见光部分)照射反应体系，每隔1小时手动取样，色谱分析(氧气产量如图7所示)。
本发明制备得到的石墨相氮碳硼粉末经X射线晶体衍射表征(图1) 得到峰值26.27°为其(002)面的特征峰，表明其石墨相结构。图2是石墨相硼碳氮粉体的红外谱图，其中的780 cm-1和1380 cm-1峰分别对应于其A2u 和 E1u振动模式。X射线光电子能谱图(图3)说明了样品含有硼、碳、氮元素及其相应的化学键。图4是样品的透射电镜图，可以很清晰地观察到化合物的微观形貌。紫外可见漫反射谱图表明样品具有可见光响应（图5）。 图6为催化剂在光解水产氢的性能及其循环实验。图7为催化剂在光解水产氧的性能。从图6和图7可以看出石墨相硼碳氮具有较高的产氢和产氧光催化活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种高效可见光驱动催化分解水的非金属材料，其特征在于：采用直接高温热聚合的方法合成的石墨相硼碳氮三元化合物具有很好的光催化分解水性能。
2.一种制备如权利要求1所述的高效可见光驱动催化分解水的非金属材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将氧化硼、尿素、葡萄糖按质量比为1：2：0.3混合，研磨均匀，置于高温管式炉里煅烧；
（2）样品用0.1mol/L的稀盐酸和去离子水清洗，离心和烘干后得到石墨相硼碳氮。
3.一种如权利要求1所述的非金属材料的应用，其特征在于：所述的石墨相硼碳氮用于可见光驱动催化分解水产氢。
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