MoOx负载g-C3N4的制备及其光催化产氢性能的研究.docx

MoOx负载g-C3N4的制备及其光催化产氢性能的研究

摘要：利用半导体光催化剂将太阳能转变为人类可以直接利用的氢能，有望同时解决能源短缺和环境污染两大难题，以实现人类的绿色可持续发展。类石墨相氮化碳（g-C3N4）具有可见光响应、稳定性好，是一种典型的二维有机聚合物光催化剂。但也存在着光生电子-空穴复合率高、对可见光利用率低等不足，从而阻碍了其光催化性能。本文通过两步煅烧法，成功制备了缺陷氧化钼（MoOX）纳米颗粒负载的类石墨相氮化碳（g-C3N4）光催化剂，有效地提高了光催化裂解水产氢的效率。本工作为改进光裂解水催化转化缺陷工程提供了一种新的方法。关键词：缺陷氧化钼；类石墨相氮化碳；光催化；裂解水产氢

0引言

近年来，因能源短缺和环境污染的影响，寻找一种储量丰富、清洁无污染的新能源已成为世界各国的重要战略规划。而氢能因其能量密度大、无毒无污染成为一种理想的绿色能源[1]。因此，基于半导体基光催化裂解水产氢技术受到越来越多的研究关注。由于具有独特的二维层状结构，g-C3N4光催化剂较其他催化剂相比具有更好的热稳定性和化学稳定性[2,3]。此外，g-C3N4因具有可见光响应、无毒无污染、制备方法简单等优点[4,5]，弥合了像TiO2、ZnO以及金属铁酸盐等只能利用有限的紫外光而对占太阳光主体部分的可见光响应较差的缺点。g-C3N4的这些优良性能逐渐引起了人们的广泛关注，成为光催化研究领域的热点。随着研究的不断深入，人们发现g-C3N4存在着比表面积小、可见光利用率低、光生电子-空穴复合率高等不足，严重影响了它的光催化产氢性能。

在过去的十年里，针对其不足进行改性的策略被大量报道，主要包括：比表面积调控[6]、元素掺杂[7]、异质结构建[8]及助催化剂负载[9]等。例如Lu等利用模板法得到了g-C3N4超薄纳米片，表现出较高的光催化活性[10]。Hu等报道了Fe和P共掺杂的g-C3N4的氢气产率达到150.6μmol·h-1，是纯g-C3N4的5倍[11]。Chen等采用一步热缩聚法构建了S掺杂g-C3N4和N掺杂MoS2的S型异质结，其光催化产氢性能较纯g-C3N4明显提高[12]。Jiang等利用光沉积法得到Au/PtO纳米颗粒修饰的g-C3N4等离子体，增强了其可见光催化析氢性能[13]。然而在大多数情况下，这些改性方案的制备过程是比较复杂的。

考虑到g-C3N4裂解水产氢的实用性，我们成功的在g-C3N4纳米片上负载了具有缺陷的氧化钼(MoOX)纳米颗粒。MoOX纳米颗粒由于具有丰富的缺陷位，不仅能够富集g-C3N4上产生的光生电子，在一定程度上抑制光生电子-空穴对的复合；还具有调节催化剂能带结构的作用，拓宽了g-C3N4的可见光响应范围。光沉积Pt后，MoOX上富集的电子又可传送到Pt的表面，参与最后的产H2半反应，即缺陷MoOX还具有传递电子的作用。在Pt做主催化剂下，利用可见光

照射4h后，3%-MoOx/g-C3N4的氢气生成速率达到3804.89μmol·g-1·h-1，约为纯g-C3N4（413.64μmol·g-

1·h-1）的9倍。本工作为改进光裂解水催化转化缺陷工程提供了一种新的方法。

实验部分1.1仪器与试剂表1实验仪器仪器名称型号生产厂家气相色谱仪GC9790Ⅱ浙江福立分析仪器有限公司数控超声波清洗器KQ3200DE昆山市超声仪器有限公司电子天平TLE204E宁波新芝生物科技有限公司低温恒温槽DC-0506上海衡平仪器仪表厂磁力加热搅拌器DF-101S巩义市予华仪器有限责任公司双级旋片式真空泵ZTW-6G温岭市挺威真空设备有限公司光催化在线分析仪器LabSolar-6A北京泊菲莱科技有限公司氙灯光源PLS-SXE300北京泊菲莱科技有限公司真空气氛管式电炉SK-G06143-2-600天津中环电炉股份有限公司马弗炉SX-G02123天津中环电炉股份有限公司玛瑙研钵40mm辽宁玛瑙工艺厂表2化学试剂试剂名称规格生产厂家三聚氰胺99%阿拉丁试剂四水合钼酸铵99.95%国药集团化学试剂有限公司三乙醇胺85.0%天津市风船化学试剂科技有限公司氯铂酸60mg/100mL上海博景化工有限公司蒸馏水——实验室超纯水机高纯氩气99.99%河南源正科技发展有限公司

实验方法和过程

光催化剂的制备

传统g-C3N4（CN）的制备:采用高温热处理法处理三聚氰胺制备CN样品。在50mL陶瓷坩埚中加入10g三聚氰胺，然后加上盖子，以5℃/min的升温速度在马弗炉中煅烧并升高温度到550℃，再在此温度下持续加热4个小时。等炉子降温到室温后，取出煅烧后的产物将其在玛瑙钵体中仔细研磨，得到粉末状CN样品，储存起来以备进一步使用。

MoOx/g-C3N