一种C制造技术

本发明专利技术提供了一种C

【技术实现步骤摘要】
一种C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于光催化材料制备
，具体涉及一种C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
氮是所有生物形成蛋白质、酶、核酸等基本单位的重要组成部分，由于氮气具有较强的键能、电负性以及电离特性，大多数生物无法直接对其进行利用，需要间接的通过合成氨来固定氮。在工业领域，采用Haber-Bosch工艺来合成氨，但是该方法耗能高，会排放大量的二氧化碳，加剧温室效应。通过模拟植物的光合作用路径，能够在室温下高效且绿色的合成氨，该方法不使用任何有机试剂，且不需要额外的电力或热能的输入。目前，由于界面电荷转移较差，氮活化效率较低等原因，利用多相光催化体系来复制固氮酶合成氨的结果并不理想。由于大多数光生电子都倾向于光催化产氢反应，不能被氮分子的活性中心利用，且催化剂的吸附类型和能量的限制，目前的半导体光催化剂还原氮的效率远不能满足需求。因此，需要通过优化与光吸收、电子供体、氮活化和催化中心相关的性能，设计出合适的多相半导体催化剂。近年来，石墨氮化碳(C3N4)因具有合适的能带、表面积大以及化学稳定性优异等性能引起极大的关注，但其光致电子/空穴对复合率高且导电性有限，导致催化效率不高，无法满足使用需求。层状结构MoS2的窄带隙容易被可见光激发、导电性好，可以作为一种很好的光催化剂用于水的分解、二氧化碳或氮气的还原。但是MoS2有着对光利用的局限性、稳定性差以及光激发电子空穴对复合的比例高等缺陷，这限制了MoS2在光催化领域的应用。将石墨氮化碳(C3N4)和MoS2相结合，构造出异质结能够提高光催化效率，并且通过增加界面层进一步提高电荷转移和降低电荷传输时间和距离、促进电子/空穴对的分离、防止催化剂的团聚。但是，MoS2和C3N4都是利于析氢，然而光催化氮气还原和析氢是一种竞争关系，两者相结合氮气还原合成氨提升不大，所以急需加入一种物质加速氧还原反应快速与氢离子结合生成水，从而抑制析氢，促使反应有利于氮气还原。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂及其制备方法和应用。本专利技术中首先制备了MoS2纳米片，然后将MoS2纳米片和C3N4耦合，最后在得到的MoS2/C3N4材料加入Mn3O4纳米粒子制备得到所述C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂，该复合光催化剂能够应用于室温下催化N2还原成NH3。本专利技术首先提供了一种C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂，所述C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂为2D片状结构；所述复合光催化剂通过聚合预吸附在MoS2片上的尿素，将MoS2夹在C3N4纳米片之间，小颗粒Mn3O4被负载到MoS2/C3N4衬底上，非晶态的C3N4覆盖在少数层状MoS2的两侧，这种结构为有效的光收集提供了一个拓宽的光学窗口，短的扩散距离提供了良好的电荷传输，接触面积大，能够用于界面电荷快速分离和光化学反应，提高催化性能。本专利技术还提供一种C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)MoS2纳米片的制备：惰性气氛下，将MoS2粉体分散于正丁基锂和正己烷混合溶液中，搅拌均匀后超声，接着过滤取固体，加入正己烷洗涤、离心，最后在惰性气体保护下剥离得到MoS2纳米片。其中，所述MoS2粉体和正丁基锂正己烷的用量比为1~3g：20~40ml；所述正丁基锂和正己烷混合溶液中，正丁基锂在正己烷中的浓度为5~10mol/L；所述超声功率为100-300W，超声时间为1~3小时。(2)将尿素溶解在去离子水中，接着加入MoS2纳米片煅烧得到MoS2/C3N4，将MoS2/C3N4加入到四水硝酸锰溶液中超声分散，然后在搅拌条件下加入EA（乙胺）溶液，通入空气持续搅拌，然后过滤、洗涤、干燥，得到所述C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂。进一步的，步骤（2）中，所述尿素、去离子水和MoS2纳米片的用量比为3～5g：3ml：10～20mg。进一步的，步骤（2）中，所述MoS2/C3N4加入量为70～150mg。进一步的，步骤（2）中，所述四水硝酸锰的浓度为2g/L，用量为30～90ml。进一步的，步骤（2）中，所述EA溶液体积分数为5%-15%，用量为5～10ml。进一步的，步骤（2）中，所述煅烧的条件为：升温速率为0.3-0.5℃/min，加热温度为500℃～600℃，煅烧时间为2~4小时。进一步的，步骤（2）中，所述超声的条件为：超声功率为100-800W，超声时间为30-60min。进一步的，步骤（2）中，所述持续搅拌的时间为2~4h。本专利技术还提供了上述C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂在催化还原N2中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术中，将层数较少的MoS2与C3N4耦合，复合后C3N4捕捉光的能力明显得到提高，还增强了光诱导电荷在界面间的分离，除此之外进一步优化了光催化剂的性能。C3N4/MoS2材料中引入了缺陷点，且MoS2和C3N4都是利于析氢，光催化氮气还原和析氢是一种竞争关系，两者相结合氮气还原合成氨提升不大。本专利技术中通过添加Mn3O4来加速氧还原反应快速与氢离子结合生成水，从而抑制析氢，促使反应有利于氮气还原，并且Mn3O4还能辅助催化剂消耗光生空穴来改善光催化剂的性能，防止电子-空穴的复合，从而复合光催化剂表现出更高的性能。本专利技术制备的C3N4/MoS2/Mn3O4为2D片状结构，通过聚合预吸附在MoS2片上的尿素，将MoS2夹在C3N4纳米片之间。小颗粒的Mn3O4被装载在MoS2/C3N4衬底上，非晶态的C3N4覆盖在少数层状MoS2的两侧，这种结构为有效的光收集提供了一个拓宽的光学窗口，短的扩散距离提供了良好的电荷传输，以及一个大的接触面积，用于快速的界面电荷分离和光化学反应，提高催化性能。本专利技术所述方法制备的复合光催化剂能够捕获和激活N2的还原能力，能在室温条件下进行N2还原。并且，该复合光催化剂具有适当的吸收带边和较高的比表面积，有利于提供足够的可见光诱导电子用于反应，实现N2向NH3的高效稳定光还原，其催化氮气合成氨产率约为C3N4/MoS2的4倍，且经过长时间的循环测试，催化剂性能几乎不变，说明了催化剂具有较好的稳定性。附图说明图1为C3N4/MoS2/Mn3O4合成流程图。图2为C3N4/MoS2/Mn3O4的TEM图。图3为C3N4/MoS2/Mn3O4的HRTEM图。图4为C3N4/MoS2/Mn3O4的EDX。图5为C3N4/MoS2/Mn3O4的mapping元素图。图6为C3N4/MoS2/Mn3O4的mapping全图。图7为C3N4/MoS2/Mn3O4的XRD图谱。图8为C3N4/MoS2/Mn3O4，C3N4/MoS2和C3N4的固体紫外图，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种C

【技术特征摘要】
1.一种C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂，其特征在于，所述C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂为2D片状结构；所述复合光催化剂中MoS2夹在C3N4纳米片之间，小颗粒Mn3O4被装载在MoS2/C3N4衬底上，非晶态的C3N4覆盖在少数层状MoS2的两侧。


2.权利要求1所述的C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将尿素溶解在去离子水中，接着加入MoS2纳米片煅烧得到MoS2/C3N4；将MoS2/C3N4加入到四水硝酸锰溶液中超声分散，然后在搅拌条件下加入乙胺溶液，通入空气持续搅拌，然后过滤、洗涤、干燥，得到所述C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂。


3.根据权利要求2所述的C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述尿素、去离子水和MoS2纳米片的用量比为3～5g：3ml：10～20mg。


4.根据权利要求2所述的C3N4/MoS2/Mn3O4复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述MoS2/C3N4加入量为70～150mg。

【专利技术属性】
技术研发人员：李海涛，刘运亮，储晨，武如强，李亚锡，邓沛基，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32