一种基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料及制备方法

摘要

本发明涉及一种基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料及制备方法，在硫化钼的纳米材料中，加入了金纳米颗粒，不仅扩宽可见光的吸收范围，同时也可以使光生载流子传输到金纳米颗粒，进一步解决硫化钼的光生载流子易复合的缺陷。另一方面，金纳米颗粒成多聚体状态，金纳米颗粒的数量为2‑6，金纳米颗粒与颗粒之间的具体为5‑7nm。如此短的具体使颗粒与颗粒之间产生强烈的耦合效应，从有进一步提高了光的吸收。同时，其制备过程是采用了一步水热的方法，省去了复杂制备过程，而且大大降低了成本。由于其作为光催化制备氢气的催化剂，其催化效果显著，可以进一步推进光催化制备氢气的技术广泛应用。

说明书

技术领域

本发明属于催化领域，涉及一种基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料及制备方法。

背景技术

为了解决目前所遇到的能源危机，光催化制备氢气这一领域也得到了广泛的关注和研究。从最初的二氧化钛、硫化镉到目前广泛研究的二维材料，光催化制备氢气的纳米材料得到了长足的发展。但是，其催化剂的催化效率仍然得不到有效的提高。目前而言，在光催化剂的制备上，高效的催化剂仍然是研究和发展的重点。(X.Xie,K.Kretschmer,G.Wang,Nanoscale 2015,7,13278.Y.Yan,B.Xia,Z.Xu,X.Wang,ACS Catal.2014,4,1693.)。

近年来，由于高活性的析氢活性位点，硫化钼作为良好的催化制氢材料受到了广泛研究。(N.Kumar,and J.M.Seminario,J.Phys.Chem.C 2015,119,29157.J.Benson,M.Li,S.Wang,P.Wang,P.Papakonstantinou,ACS Appl.Mater.Inter.2015,7,14113.)但是由于其可见光的吸收范围较窄，同时光生载流子易复合的缺陷，硫化钼作为催化制氢材料没有得到广泛应用。(Q.Liu,X.Li,Q.He,A.Khalil,D.Liu,T.Xiang,X.Wu,L.Song,Small 2015,11,5556.)。

为了解决上述问题，研究者们将金属纳米颗粒引入到硫化钼中制成金属纳米颗粒/硫化钼复合材料。利用金属纳米颗粒的等离子体效应及金属纳米颗粒与硫化钼的活性接触面，该复合材料不仅可见光的吸收范围较宽，而且光生载流子易分离，提高了催化制氢效率。然而，该复合物的等离子增强催化效率依然很低。(Z.B.Zhuang,W.C.Sheng,Y.S.Yan,Adv.Mater.2014,26,3950.)。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料及制备方法。

技术方案

一种基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料，其特征在于金纳米颗粒成多聚体状态，金纳米颗粒的数量为2-6，金纳米颗粒与颗粒之间的距离为5-7nm；元素的摩尔比值为钼︰硫︰金为1.0︰1.9︰1.2。

一种制备所述基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、金纳米颗粒的制备：将200μl的氯金酸溶液与100ml的去离子水混合加热至沸腾后滴加700μl的柠檬酸钠溶液，加热到100℃保持10-15min得到金纳米颗粒；所述氯金酸溶液的浓度为50-100mg/ml；所述柠檬酸钠溶液为1-5wt％；

步骤2、硫化钼前驱体溶液的配制：将0.5-1.0g的半胱氨酸溶于100ml去离子水中，得到溶液A；将0.5-1.0g的钼酸钠溶于100ml的去离子水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B按体积比2:1混合超声2-4h得到硫化钼前驱体溶液；

步骤3：将40-80ml的金纳米颗粒溶液与10-30ml的聚乙二醇溶液混合，之后与硫化钼前驱体溶液进行混合，在200℃下进行10-24h的水热反应；反应结束后，将溶液烘干，即得到金纳米颗粒和硫化钼核壳结构的纳米材料；所述聚乙二醇溶液的浓度为1％-3％。

一种测试所述基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料的方法，其特征在于：0.1g的金纳米颗粒和硫化钼核壳结构的纳米材料，分散在100ml去离子水中；采用光催化设备进行光催化制备氢气的测试；光催化制备氢气的测试条件是：光源为氙灯，用电流控制氙灯光源强度，电流为15A。

有益效果

本发明提出的一种基于硫化钼的高效光催化制备氢气的纳米材料及制备方法，在硫化钼的纳米材料中，加入了金纳米颗粒，不仅扩宽可见光的吸收范围，同时也可以使光生载流子传输到金纳米颗粒，进一步解决硫化钼的光生载流子易复合的缺陷。另一方面，金纳米颗粒成多聚体状态，金纳米颗粒的数量为2-6，金纳米颗粒与颗粒之间的具体为5-7nm。如此短的具体使颗粒与颗粒之间产生强烈的耦合效应，从有进一步提高了光的吸收。同时，其制备过程是采用了一步水热的方法，省去了复杂制备过程，而且大大降低了成本。由于其作为光催化制备氢气的催化剂，其催化效果显著，可以进一步推进光催化制备氢气的技术广泛应用。

与催化剂材料制氢相比，本发明提供的金纳米颗粒/硫化钼核壳结构纳米材料不仅具有更强的光吸收，而且客服了光生载流子易复合的缺陷。另一方面，该复合材料具有更高的等离子增强催化效率。该材料的产氢速率是目前已知产氢速率最大的材料之一，达2510.7微摩尔每克。

附图说明

图1是金属纳米颗粒/硫化钼复合材料的透射电镜图。其中0.5μm是尺寸标尺

图2是金纳米颗粒和硫化钼核壳结构的纳米材料的X射线能谱仪结果分析图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例一：

取200μl的氯金酸溶液(50mg/ml)和100ml的去离子水混合，加热到沸腾，再滴加700μl的柠檬酸钠溶液(1wt％)，加热10min得到金纳米颗粒溶液。取0.5g的半胱氨酸溶于100ml去离子水中，得到溶液A。取0.5-1.0g的钼酸钠溶于100ml的去离子水中，得到溶液B。溶液A和溶液B按体积比2:1混合超声2-4h。将40-80ml金纳米颗粒溶液加入到10ml，1％的聚乙二醇溶液中，之后与上述A和B的超声混合液进行混合，然后在200℃下进行10h的水热反应。反应结束后，溶液在烘箱中110度下干燥24h，即可得到金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料。

表征：取0.1g的金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料，分散在100ml去离子水中。用光催化设备进行光催化制备氢气的测试。光催化制备氢气的测试条件是：光源为氙灯，用电流控制氙灯光源强度，电流为15A。最大产氢量为2500.7微摩尔每克。

实施例二：

取200μl的氯金酸溶液(70mg/ml)和100ml的去离子水混合，加热到沸腾，再滴加700μl的柠檬酸钠溶液(2wt％)，加热15min得到金纳米颗粒溶液。取0.7g的半胱氨酸溶于100ml去离子水中，得到溶液A。取0.7g的钼酸钠溶于100ml的去离子水中，得到溶液B。溶液A和溶液B按体积比2:1混合超声2-4h。将50ml金纳米颗粒溶液加入到20ml，2％的聚乙二醇溶液中，之后与上述A和B的超声混合液进行混合，然后在200℃下进行16h的水热反应。反应结束后，溶液在烘箱中110度下干燥36h，即可得到金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料。

表征：取0.1g的金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料，分散在100ml去离子水中。用光催化设备进行光催化制备氢气的测试。光催化制备氢气的测试条件是：光源为氙灯，用电流控制氙灯光源强度，电流为15A。最大产氢量为2510.7微摩尔每克。

实施例三：

取200μl的氯金酸溶液(80mg/ml)和100ml的去离子水混合，加热到沸腾，再滴加700μl的柠檬酸钠溶液(3wt％)，加热10min得到金纳米颗粒溶液。取0.8g的半胱氨酸溶于100ml去离子水中，得到溶液A。取0.8g的钼酸钠溶于100ml的去离子水中，得到溶液B。溶液A和溶液B按体积比2:1混合超声2-4h。将60ml金纳米颗粒溶液加入到30ml，3％，聚乙二醇溶液中，之后与上述A和B的超声混合液进行混合，然后在200℃下进行18h的水热反应。反应结束后，溶液在烘箱中110度下干燥48h，即可得到金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料。

表征：取0.1g的金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料，分散在100ml去离子水中。用光催化设备进行光催化制备氢气的测试。光催化制备氢气的测试条件是：光源为氙灯，用电流控制氙灯光源强度，电流为15A。最大产氢量为2503.7微摩尔每克。

实施例四：

取200μl的氯金酸溶液(80mg/ml)和100ml的去离子水混合，加热到沸腾，再滴加700μl的柠檬酸钠溶液(5wt％)，加热10min得到金纳米颗粒溶液。取1.0g的半胱氨酸溶于100ml去离子水中，得到溶液A。取1.0g的钼酸钠溶于100ml的去离子水中，得到溶液B。溶液A和溶液B按体积比2:1混合超声4h。将60ml金纳米颗粒溶液加入到30ml，3％的聚乙二醇溶液中，之后与上述A和B的超声混合液进行混合，然后在200℃下进行24h的水热反应。反应结束后，溶液在烘箱中110度下干燥48h，即可得到金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料。

表征：取0.1g的金纳米颗粒/硫化钼核壳结构的纳米材料，分散在100ml去离子水中。用光催化设备进行光催化制备氢气的测试。光催化制备氢气的测试条件是：光源为氙灯，用电流控制氙灯光源强度，电流为15A。最大产氢速量2503.7微摩尔每克。