一种碳化钛量子点负载碳缺陷反蛋白石氮化碳的催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳的催化剂及其制备方法，该催化剂在光催化产H

【技术实现步骤摘要】
一种碳化钛量子点负载碳缺陷反蛋白石氮化碳的催化剂及其制备方法
本专利技术涉及一种光催化生产H2O2的催化剂及其制备方法与应用，属于光催化领域。
技术介绍
双氧水是一种在消毒、化学加工、环境治理和能源电池中具有重大应用价值的化学品，但占据当前合成市场99％的蒽醌法拥有复杂的合成步骤、大量的能量和原料投入且有毒的副产物等缺点，同时，另外一种可供选择的贵金属直接合成法由于需要将原料H2和O2的混合而具有爆炸风险，一种新兴的电化学合成法也有需要大量能量输入的劣势。因此在室温下捕捉可见光驱动半导体通过氧气和水分子合成双氧水是目前最为安全和节能的方法。作为一种典型的半导体材料，氮化碳具有无毒、低成本、结构稳定，可见光响应和合适的价带位置等性质，从而引起了大家的研究兴趣，然而氮化碳由于比表面积较小，电子空穴复合率较高，导致其光催化产双氧水的量不高。因此，世界范围内的研究人员对氮化碳采取了多种改性方式来提高其光催化产双氧水性能。如半导体耦合、非金属元素掺杂和负载贵金属等。在这些方法中，缺陷调控被认为是非常有效的提高氮化碳光催化性能的方法。现在普遍认为材料表面的的缺陷位点可作为电子捕获阱捕获电子发生光催化反应。但过多的以及在材料内部的缺陷位点往往成为电子与空穴的复合中心，不利于光催化反应的进行。因此，这部分工作通过合理引入3D有序反蛋白石结构和碳化钛量子点调控表面缺陷浓度并诱导电子定向传输的策略来提高氮化碳材料光催化产双氧水的产量。
技术实现思路
本专利技术供了一种碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳的催化剂及其制备方法，该催化剂在光催化产H2O2中可以得到很好的应用。本专利技术首先通过硬模板法，以三维有序排列的SiO2小球作为硬模板来合成有序大孔结构(反蛋白石结构)。将氮化碳前驱体双氰胺通过在Ar气中高温煅烧的方法，灌注进由SiO2小球规整排列而得到的光子晶体中，用NH4HF2刻蚀除去模板，即得到带有碳缺陷的反蛋白石氮化碳。然后通过自上而下的方法合成碳化钛量子点。将钛碳化铝在氢氟酸中刻蚀出去铝层得到手风琴层状碳化钛，继续通过水热插层和超声辅助破碎得到碳化钛量子点溶液。最后通过静电自组装方法将碳化钛量子点负载进入有碳缺陷的反蛋白石氮化碳骨架中形成结构稳定的碳化钛量子点负载碳缺陷反蛋白石氮化碳。本专利技术在反蛋白石结构氮化碳中引入碳缺陷，提高了氮化碳的比表面积和载流子分离效率，同时通过碳化钛量子点的负载进一步调控缺陷的数量和光生电子的定向传输，有效抑制了光生载流子的复合。通过将其应用于光催化生产H2O2，发现其可以响应可见光高效生产H2O2，并具有比单纯的氮化碳或仅有碳缺陷的反蛋白氮化碳具有更好的催化活性。具体的方案如下：一种碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳的催化剂的制备方法，所述方法包括：1)将正硅酸乙酯TEOA加入到乙醇中搅拌均匀制成溶液A；2)将乙醇、水和氨水混合制成溶液B；3)然后将溶液A,B混合继续搅拌制得SiO2小球；4)将得到的SiO2小球充分研磨后超声分散在水中，将混合溶液倒入到玻璃瓶中置于干燥箱中蒸发排列，蒸干后玻璃瓶壁的固体即为排列整齐的SiO2模板；5)将双氰胺和SiO2模板混合研磨，将混合固体放入管式炉中在Ar气氛下升温到520℃-550℃保持预定时间；6)当温度降到室温后将得到的黄色粉末倒入NH4HF2溶液中搅拌将SiO2模板刻蚀；最后将混合液离心并且用超纯水洗涤并真空干燥得碳缺陷反蛋白石氮化碳(Cv-CN)；7)将钛碳化铝(Ti3AlC2)分散在氢氟酸中，搅拌，腐蚀掉Al，然后洗涤，干燥，得到碳化钛(Ti3C2)；8)将碳化钛、四甲基氢氧化铵(TMAOH)、抗坏血酸钠和H2O加入水热釜进行水热反应，再经过超声破碎和透析获得淡黄色的碳化钛量子点水溶液(TC)；9)将所述碳缺陷反蛋白石氮化碳与碳化钛量子点水溶液(TC)和去离子水混合；搅拌，将混合液蒸干；用去离子水洗涤后，在惰性气氛保护下加热去除材料表面残留的四甲基氢氧化铵，得到碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳(TC/Cv-CN)。进一步的，其中步骤5)为将0.6g双氰胺和1gSiO2模板混合研磨，将混合固体放入管式炉中在Ar气氛下2℃/min升温到520℃并保持2h；接着以4℃/min升温到550℃保持2h。进一步的，所述步骤8)为将200mg碳化钛、4.8mL的四甲基氢氧化铵(TMAOH)、0.7044g抗坏血酸和56.2mlH2O加入100mL的水热釜进行水热反应，水热反应温度为160℃，反应时间为24h，再经过超声破碎和透析获得淡黄色的碳化钛量子点水溶液(TC)。进一步的，其中步骤9)将所述碳缺陷反蛋白石氮化碳50mg与20mL的碳化钛量子点水溶液(TC)和30mL的去离子水混合；搅拌12小时后，将混合液在旋转蒸发仪中加热蒸干；用去离子水洗涤后，在Ar保护下200℃下保温2h得到碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳(TC/Cv-CN)。进一步的，一种碳化钛量子点负载碳缺陷的反蛋白石氮化碳的催化剂，其通过所述方法制备得到。进一步的，一种碳化钛量子点负载碳缺陷的反蛋白石氮化碳的催化剂在光催化制备双氧水中的应用方法，将所述方法制备得到的碳化钛量子点负载碳缺陷的反蛋白石氮化碳分散在超纯水与乙醇的混合溶液中，其中乙醇的浓度为5％，采用氧气鼓泡使溶液中具有饱和的溶解氧，用可见光照射或模拟可见光照射生产双氧水。进一步的，将50mg所述方法制备得到的碳化钛量子点负载碳缺陷的反蛋白石氮化碳分散在47.5mL超纯水与2.5mL乙醇的混合溶液中，采用氧气鼓泡15min使溶液中具有饱和的溶解氧，用可见光照射或模拟可见光照射生产双氧水，所述模拟可见光照射为带有420nm滤光片的300w氙灯下照射。本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术的碳化钛量子点负载碳缺陷反蛋白石氮化碳同时具有反蛋白石结构、碳缺陷和碳化钛量子点，反蛋白石结构氮化碳中引入碳缺陷，提高了氮化碳的比表面积和载流子分离效率，同时通过碳化钛量子点均匀分散在反蛋白氮化碳骨架表面，从而进一步调控缺陷的数量和光生电子的定向传输，提高可见光吸收的范围和强度，抑制光生电荷载流子的复合，改善光催化活性。2)反蛋白石结构具有显著增大的比表面积可以为光催化过程提供更多的吸附和活性位点，并且反蛋白石结构的慢光效应和多重光散射效应提高了光催化剂的光收集和利用。3)碳缺陷可以大大提高光生电子和空穴的迁移与分离效率。4)将带负电的碳化钛量子点和带正电的碳缺陷反蛋白石氮化碳通过静电自组装法结合，从而实现碳化钛量子点调控氮化碳的碳缺陷的浓度，并由此得到碳化钛量子点负载碳缺陷的反蛋白石氮化碳，碳化钛量子点均匀分散在反蛋白氮化碳骨架表面，从而进一步调控缺光生电子的定向传输，提高可见光吸收的范围和强度，抑制光生电荷载流子的复合，改善光催化活性。5)碳化钛量子点的负载调控了缺陷的数量和光生电子的定向传输，提高了可见光吸收的范围和强度，有效抑制光生电荷载流子的复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳的催化剂的制备方法，所述方法包括：/n1)将正硅酸乙酯TEOA加入到乙醇中搅拌均匀制成溶液A；/n2)将乙醇、水和氨水混合制成溶液B；/n3)然后将溶液A,B混合继续搅拌制得SiO

【技术特征摘要】
1.一种碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳的催化剂的制备方法，所述方法包括：
1)将正硅酸乙酯TEOA加入到乙醇中搅拌均匀制成溶液A；
2)将乙醇、水和氨水混合制成溶液B；
3)然后将溶液A,B混合继续搅拌制得SiO2小球；
4)将得到的SiO2小球充分研磨后超声分散在水中，将混合溶液倒入到玻璃瓶中置于干燥箱中蒸发排列，蒸干后玻璃瓶壁的固体即为排列整齐的SiO2模板；
5)将双氰胺和SiO2模板混合研磨，将混合固体放入管式炉中在Ar气氛下升温到520℃-550℃保持预定时间；
6)当温度降到室温后将得到的黄色粉末倒入NH4HF2溶液中搅拌将SiO2模板刻蚀；最后将混合液离心并且用超纯水洗涤并真空干燥得到碳缺陷反蛋白石氮化碳(Cv-CN)；
7)将钛碳化铝(Ti3AlC3)分散在氢氟酸中，搅拌，腐蚀掉铝层，然后洗涤，干燥，得到碳化钛(Ti3C2)；
8)将碳化钛、四甲基氢氧化铵(TMAOH)、抗坏血酸和H2O加入水热釜进行水热反应，再经过超声破碎和透析获得淡黄色的碳化钛量子点水溶液(TC)；
9)将所述碳缺陷反蛋白石氮化碳与碳化钛量子点水溶液(TC)和去离子水混合；搅拌，将混合液蒸干；用去离子水洗涤后，在惰性气氛保护下加热去除材料表面残留的四甲基氢氧化铵，得到碳化钛量子点负载有碳缺陷的反蛋白石氮化碳(TC/Cv-CN)。


2.如上述权利要求所述的方法，其中步骤5)为将0.6g双氰胺和1gSiO2模板混合研磨，将混合固体放入管式炉中在Ar气氛下2℃/min升温到520℃并保持2h；接着以4℃/min升温到550℃保持2h。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇弟，周亮，雷菊英，林素芬，张金龙，王灵志，田云浩，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31