一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片及其制备方法

文档序号：997115 发布日期：2020-10-23 浏览：25次 >En<

阅读说明：本技术 一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片及其制备方法 (Amorphous molybdenum oxide nanodot/two-dimensional carbon nitride nanosheet with photocatalysis and photothermal conversion performances and preparation method thereof ) 是由任玉美冯德胜朱船辉董潇翔冯琛于 2020-07-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片及其制备方法。将本体氧化钼分散于乙醇水溶液中,然后将该分散液在冷水浴中超声,离心取上层分散液,然后将一定量的抗坏血酸加入到上层分散液中,冷水浴超声后即可得到非晶氧化钼纳米点；将三聚氰胺在空气气氛中进行煅烧,研磨得到本体氮化碳,然后再在空气气氛中煅烧即可得到类石墨相的二维氮化碳纳米片；将得到的非晶氧化钼纳米点与氮化碳纳米片按一定的质量比进行冷水浴超声混合即可得到非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料。本发明提供了一种简单的超声化学法和热处理方法制备非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片,原料便宜易得,有较好的应用前景。(The invention provides an amorphous molybdenum oxide nano-dot/two-dimensional carbon nitride nanosheet with both photocatalytic and photothermal conversion performances and a preparation method thereof. Dispersing the bulk molybdenum oxide in an ethanol water solution, then carrying out ultrasonic treatment on the dispersion liquid in a cold water bath, centrifuging to obtain an upper layer dispersion liquid, then adding a certain amount of ascorbic acid into the upper layer dispersion liquid, and carrying out ultrasonic treatment in the cold water bath to obtain amorphous molybdenum oxide nanodots; calcining melamine in air atmosphere, grinding to obtain bulk carbon nitride, and calcining in air atmosphere to obtain graphite-like two-dimensional carbon nitride nanosheets; and carrying out cold water bath ultrasonic mixing on the obtained amorphous molybdenum oxide nanodots and the carbon nitride nanosheets according to a certain mass ratio to obtain the amorphous molybdenum oxide nanodot/two-dimensional carbon nitride nanosheet composite material. The invention provides a simple ultrasonic chemical method and a heat treatment method for preparing amorphous molybdenum oxide nanodots/two-dimensional carbon nitride nanosheets, which have cheap and easily-obtained raw materials and good application prospect.)

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，环境问题和能源危机成为新世纪人类面临的重要难题。太阳能，作为一种清洁的可再生能源，以资源丰富的太阳光为能量来源，是最有前途的替代能源之一，成为近年来能源转化利用的焦点，已经被广泛应用于光伏发电、光催化及光热转化等领域。其中，利用光催化可将太阳能转换为可存储和运输的氢能，而通过光热效应可借助太阳能对海水进行淡化，这将有助于缓解能源短缺、环境污染以及淡水资源紧缺等问题。如何制备新型高效的光能转换材料并提高其能量转换效率是当今太阳能转换领域的关键课题。

氧化钼因为其核外d轨道电子的存在可以表现出局域等离子体共振（LSPR）性质，并且其表面自由电子浓度与氧空穴有密切的关系。通过引入不同氧空位浓度，可以获得不同化学计量和不同晶体结构的氧化钼，已经被广泛应用在催化、光热转化、能源储存和电子器件等领域。而非晶氧化钼纳米点因其丰富的表面缺陷和活性位点，能够表现出显著增强的LSPR效应。在众多半导体纳米材料中，类石墨相氮化碳具有非常合适的半导体带边位置，禁带宽度~2.7 eV，满足光解水产氢产氧的热力学要求，且具有优异的表面官能化修饰、高理化稳定性、无毒以及原料丰富等特点，得到了广泛关注。非晶氧化钼纳米点表面活性高且易发生团聚，而通常制得的氮化碳光生电子-空穴的复合率高，因此，非晶氧化钼纳米点与氮化碳纳米片复合材料的构筑可以充分发挥两者的优异特性，促进电荷载流子的传输与分离，提高体系的表面化学反应速率，提高光吸收能力，从而提升体系的催化反应活性和光热转换性能。但是，寻求一种简单高效的制备技术仍然是一种挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，该方法原料便宜易得，操作过程简单，且可大规模制备。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、非晶氧化钼纳米点的制备；

将氧化钼分散于乙醇水溶液中，得到分散液，然后将分散液在冷水浴中超声处理，将超声处理后的分散液离心处理，取上层分散液至容器中；

将抗坏血酸加入至所述上层分散液中，得到混合液，将所述混合液在冷水浴中超声处理后得到非晶氧化钼纳米点；

步骤二、类石墨相的氮化碳纳米片的制备；

将三聚氰胺煅烧处理，煅烧后进行研磨处理，得到本体氮化碳；然后将所述本体氮化碳进行煅烧处理，得到类石墨相的氮化碳纳米片；

步骤三、非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料的制备；

将步骤一中得到的所述非晶氧化钼纳米点和步骤二中得到的所述氮化碳纳米片按一定质量比在冷水浴中超声混合即得到非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，步骤一中，所述氧化钼的质量和所述乙醇水溶液的体积比为1g：（50~200）ml；

优选地，所述乙醇水溶液中乙醇的体积百分比为10~90%。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，步骤一中，所述抗坏血酸的质量和所述上层分散液的体积比为1g：（1~5）ml。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，步骤一中，所述冷水浴的温度不高于25 ℃，超声处理的超声时间为3~8 h；

优选地，步骤一中，所述离心处理的离心转速为3000~6000 rpm/min。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，步骤二中，所述三聚氰胺的煅烧处理具体为，在温度为500~580 ℃的空气气氛中煅烧2~5 h。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，所述三聚氰胺煅烧时的升温速率为2~5 ℃/min。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，步骤二中，所述本体氮化碳的煅烧处理具体为，在500~550 ℃的空气气氛中煅烧2~5 h。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，所述本体氮化碳煅烧时的升温速率为2~5 ℃/min。

在如上所述的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，优选，步骤三中，所述非晶氧化钼纳米点占所述氮化碳纳米片的质量百分比为5~20%；

优选地，步骤三中，所述非晶氧化钼纳米点和所述氮化碳纳米片在冷水浴中超声混合的时间为2 h。

一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法制备出的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明利用资源丰富的无机材料来代替传统的贵金属等作为光热试剂和催化剂，解决了目前常规材料低的吸收系数和昂贵的价格，并且可以实现大规模的制备。本发明的制备方法简单易行，原料便宜易得，同时非晶结构的引入和异质结构的构筑有效的调节了材料的电子结构，使其在光、电及热功能材料领域有很好的应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1：本发明实施例1经超声处理和抗坏血酸还原的非晶氧化钼纳米点的透射电镜图；

图2：本发明实施例1热处理后的氮化碳纳米片的透射电镜图；

图3：本发明实施例1超声混合后的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料的透射电镜图；

图4：本发明实施例1超声混合后的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料的光催化性能效果图；

图5：本发明实施例1超声混合后的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料的光热响应效果图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供的兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料在氧化钼和乙醇水溶液两者之间的作用下实现了对氧化钼有效的剥离，在超声化学作用下，抗坏血酸作为一种还原剂，可以有效的产生氢自由基进入到氧化钼的晶格中，诱导非晶氧化钼纳米点的形成。在空气气氛中，采用热聚合法以三聚氰胺为前驱体可以制备得到二维氮化碳纳米片，由于原子结构长程无序、短程有序的非晶化材料具有丰富的表面缺陷和活性位点，通过进一步超声混合处理即可得到非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料。

本发明提供的一种兼具光催化和光热转换性能的非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、非晶氧化钼纳米点的制备；

将氧化钼分散于乙醇水溶液中，得到分散液，然后将分散液在冷水浴中超声处理，将超声处理后的分散液离心处理，取上层分散液至容器中；

将抗坏血酸加入至上层分散液中，得到混合液，将混合液在冷水浴中超声处理后得到非晶氧化钼纳米点。

本发明的具体实施例中，氧化钼的质量和乙醇水溶液的体积比为1g：（50~200）ml（比如1 g:50 ml、1 g:60 ml、1 g:70 ml、1 g:80 ml、1 g:90 ml、1 g:100 ml、1 g:110 ml、1 g:120 ml、1 g:130 ml、1 g:140 ml、1 g:150 ml、1 g:160 ml、1 g:170 ml、1 g:180 ml、1 g:190 ml、1 g:200 ml）。

优选地，乙醇水溶液中乙醇的体积百分比为10~90%（比如15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%），再优选为乙醇的体积百分比为50%。

本发明的具体实施例中，抗坏血酸的质量和上层分散液的体积比为1g：（1~5）ml（比如1 g:1.5 ml、1 g:2 ml、1 g:2.5 ml、1 g:3 ml、1 g:3.5 ml、1 g:4 ml、1 g:4.5 ml、1g:5 ml）。

本发明的具体实施例中，冷水浴的温度不高于25 ℃，超声处理的超声时间为3~8h（比如3.5 h、4 h、4.5 h、5 h、5.5 h、6 h、6.5 h、7 h、7.5 h、8 h）；优选地，步骤一中，离心处理的离心转速为3000~6000 rpm/min（3500 rpm/min、4000 rpm/min、4500 rpm/min、5000rpm/min、5500 rpm/min）。

步骤二、类石墨相的氮化碳纳米片的制备；

将三聚氰胺煅烧处理，煅烧后进行研磨处理，得到本体氮化碳；然后将本体氮化碳进行煅烧处理，得到类石墨相的氮化碳纳米片。

本发明的具体实施例中，三聚氰胺的煅烧处理具体为，在温度为500~580 ℃（比如510 ℃、520 ℃、530 ℃、540 ℃、550 ℃、560 ℃、570 ℃）的空气气氛中煅烧2~5 h（比如2.5 h、3 h、3.5 h、4 h、4.5 h、4.8 h）。优选地，三聚氰胺煅烧时的升温速率为2~5 ℃/min（比如2.5 ℃/min、3 ℃/min、3.5 ℃/min、4 ℃/min、4.5 ℃/min、5 ℃/min）。

本发明的具体实施例中，本体氮化碳的煅烧处理具体为，在500~550 ℃（比如505℃、510 ℃、515 ℃、520 ℃、525 ℃、530 ℃、535 ℃、540 ℃、545 ℃、550 ℃）的空气气氛中煅烧2~5 h（比如2.5 h、3 h、3.5 h、4 h、4.5 h、4.8 h）。优选地，本体氮化碳煅烧时的升温速率为2~5 ℃/min（比如2.5 ℃/min、3 ℃/min、3.5 ℃/min、4 ℃/min、4.5 ℃/min、5℃/min）。

步骤三、非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料的制备；

将步骤一中得到的非晶氧化钼纳米点和步骤二中得到的氮化碳纳米片按一定质量比在冷水浴中超声混合即得到非晶氧化钼纳米点/二维氮化碳纳米片复合材料。

本发明的具体实施例中，非晶氧化钼纳米点占氮化碳纳米片的质量百分比为5~20%（比如6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%）。

本发明的具体实施例中，非晶氧化钼纳米点和氮化碳纳米片在冷水浴中超声混合的时间为2 h。

本发明下述实施例中使用的氧化钼（英文名称为Molybdenum(VI) oxide，简称MoO₃）购买于Alfa Aesar。三聚氰胺和抗坏血酸购买于国药集团化学试剂有限公司。

实施例1