一种用原位构建的Pt/ZnS-rGO光催化剂及其制备氢气的方法与流程

本发明涉及光催化剂领域，具体是一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂及其制备氢气的方法。

背景技术：

化石燃料的过度使用造成了严重的能源短缺和环境问题，迫使人们急需进一步寻找绿色可再生能源来替代。氢气作为最清洁的燃料因为其燃烧后零排放污染物而受到巨大的研究关注。光催化水分解作为太阳能转换的可持续战略，被认为是提供清洁和高性能生产氢气的途径。

迄今为止，人们一直致力于开发水分解中的高效光催化剂，其必须满足相对较低的导带(cb)位置、合适的带隙、有效的可见光吸收和提高的电子转移效率。在各种光催化剂中，金属硫化物，尤其是zns(硫化锌)，由于其无毒无金属和优异的化学稳定性等在光催化材料领域中受到广泛关注。

然而，在光催化剂水分解中，电子-空穴对在光催化剂的主体中或表面上的再结合仍然是一个严肃的问题。为了解决这种负面影响，已经证明构建异质结构、产生晶体缺陷、控制形态、添加助催化剂或改善结晶度等是改善光催化性能的有效方法。其中，助催化剂改性是提高光催化制氢中载流子分离效率的有效策略之一。它不仅可以降低产氢的过电位，还可以改善主体反应活性位点，从而提高电荷分离效率，防止光生载流子的复合。石墨烯作为一种良好的二维(2d)材料，由于其大的比表面积，丰富的活性位点和优异的导电性能，所以能够更好的促进电荷分离，因此具有巨大的潜力可以成为zns纳米颗粒光催化制氢的理想复合材料。

因此，针对以上现状，迫切需要开发一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂及其制备氢气的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂，其制备过程包括如下两个步骤：

1)采用水热法合成zns；

2)采用逐步光沉积工艺将pt(铂)纳米颗粒和步骤1)制得的zns与rgo(还原氧化石墨烯)结合，即制得pt/zns-rgo光催化剂。

作为本发明进一步的方案：在步骤1)中，在连续磁力搅拌下将5mmol的zncl2(氯化锌)和10mmol的硫代乙酰胺溶解在含45ml乙醇和15ml甘油的混合物溶液中，并连续搅拌至形成澄清溶液；然后，将混合物在聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中180℃下水热10h，并自然冷却至室温；离心收集沉淀物，然后用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次；洗涤处理后，将产物在60℃下干燥过夜，即制得zns。

作为本发明进一步的方案：在步骤2)中，逐步光沉积工艺具体步骤如下：

21)用改进的hummers方法(制备氧化石墨的一种方法)将石墨粉末氧化获得go(氧化石墨烯)；

22)将1.6-14mg的go分散在40ml乙醇中超声30min，然后在上述乙醇溶液中加入200mg的zns；

23)在连续磁力搅拌下用300w的xe(氙)灯照射溶液，从而使go还原；

24)添加500μl的h2ptcl6(0.0072mm，1wt％)使pt纳米颗粒沉积在rgo上；

25)将粉末抽滤并真空干燥过夜，得到含有1wt％pt和2wt％rgo的pt/zns-rgo光催化剂。

作为本发明进一步的方案：在步骤22)中，所述go的用量为4mg。

作为本发明进一步的方案：在步骤24)中，所述h2ptcl6的浓度为1wt％。

一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂制备氢气的方法，包括以下步骤：

3)称取20mg的pt/zns-rgo光催化剂和100ml乳酸水溶液放入一个顶端可透光的100ml石英容器中，通过磁力搅拌器使光催化剂高度均匀分散于反应液中；

4)涂抹真空脂将石英容器连接到反应装置上，在反应前整个体系先抽真空同时通入冷凝水保证反应溶液温度在19-21℃；

5)在300w的xe灯照射下，每隔一个小时取一次样，通过气相色谱仪的tcd(热导)检测器进行在线分析，得出产物氢气的量。

作为本发明进一步的方案：在步骤3)中，乳酸水溶液中，乳酸和水的体积比为1：4。

作为本发明进一步的方案：在步骤4)中，涂抹真空脂将石英容器连接到反应装置上，在反应前整个体系先抽真空同时通入冷凝水保证反应溶液温度在20℃。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本发明通过水热-光沉积两步法合成了一种pt/zns-rgo纳米微球，利用zns、go和pt颗粒之间的优良相互作用，实现了增强的光电催化水分解，通过调节复合剂量为2wt.％rgo和1wt.％pt，可以合成具有最佳性能的pt/zns-rgo光催化剂，其光催化活性比纯zns高8倍左右。

pt/zns-rgo光催化剂的合成方法绿色环保、操作简单、性能良好，制得的pt/zns-rgo光催化剂具有较好的光催化产氢性能，在300w的xe灯照射下，产生氢气连续且稳定。

附图说明

图1为本发明实施例中合成go的xrd示意图。

图2为本发明实施例中不同复合比例pt/zns-rgo光催化剂的xrd示意图。

图3为本发明实施例中不同复合比例pt/zns-rgo光催化剂在300w的xe灯照射下产氢量示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-2，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂，其制备过程包括如下两个步骤：

1)采用水热法合成zns；

2)采用逐步光沉积工艺将pt纳米颗粒和步骤1)制得的zns与rgo结合，即制得pt/zns-rgo光催化剂。

其中，在步骤1)中，在连续磁力搅拌下将5mmol的zncl2和10mmol的硫代乙酰胺溶解在含45ml乙醇和15ml甘油的混合物溶液中，并连续搅拌至形成澄清溶液；然后，将混合物在聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中180℃下水热10h，并自然冷却至室温；离心收集沉淀物，然后用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次；洗涤处理后，将产物在60℃下干燥过夜，即制得zns。

在步骤2)中，逐步光沉积工艺具体步骤如下：

21)用改进的hummers方法将石墨粉末氧化获得go；

22)将4mg的go分散在40ml乙醇中超声30min，然后在上述乙醇溶液中加入200mg的zns；

23)在连续磁力搅拌下用300w的xe灯照射溶液，从而使go还原；

24)添加500μl的h2ptcl6(0.0072mm，1wt％)使pt纳米颗粒沉积在rgo上；

25)将粉末抽滤并真空干燥过夜，得到含有1wt％pt和2wt％rgo的pt/zns-rgo(pzg-2)光催化剂。

请参阅图3，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂制备氢气的方法，包括以下步骤：

3)称取20mg的pt/zns-rgo(pzg-2)光催化剂和100ml乳酸水溶液放入一个顶端可透光的100ml石英容器中，通过磁力搅拌器使光催化剂高度均匀分散于反应液中；

4)涂抹真空脂将石英容器连接到反应装置上，在反应前整个体系先抽真空同时通入冷凝水保证反应溶液温度在20℃；

5)在300w的xe灯照射下，每隔一个小时取一次样，通过气相色谱仪的tcd检测器进行在线分析，得出产物氢气的量(实验得出，在连续反应4个小时后，产氢量可达882μmol·h^-1·g^-1)。

其中，在步骤3)中，乳酸水溶液中，乳酸和水的体积比为1：4。

实施例2

请参阅图1-2，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂，其制备过程包括如下两个步骤：

1)采用水热法合成zns；

2)采用逐步光沉积工艺将pt纳米颗粒和步骤1)制得的zns与rgo结合，即制得pt/zns-rgo光催化剂。

其中，在步骤1)中，在连续磁力搅拌下将5mmol的zncl2和10mmol的硫代乙酰胺溶解在含45ml乙醇和15ml甘油的混合物溶液中，并连续搅拌至形成澄清溶液；然后，将混合物在聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中180℃下水热10h，并自然冷却至室温；离心收集沉淀物，然后用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次；洗涤处理后，将产物在60℃下干燥过夜，即制得zns。

在步骤2)中，逐步光沉积工艺具体步骤如下：

21)用改进的hummers方法将石墨粉末氧化获得go；

22)将1.6mg的go分散在40ml乙醇中超声30min，然后在上述乙醇溶液中加入200mg的zns；

23)在连续磁力搅拌下用300w的xe灯照射溶液，从而使go还原；

24)添加500μl的h2ptcl6(0.0072mm，1wt％)使pt纳米颗粒沉积在rgo上；

25)将粉末抽滤并真空干燥过夜，得到含有1wt％pt和2wt％rgo的pt/zns-rgo(pzg-0.8)光催化剂。

请参阅图3，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂制备氢气的方法，包括以下步骤：

3)称取20mg的pt/zns-rgo(pzg-0.8)光催化剂和100ml乳酸水溶液放入一个顶端可透光的100ml石英容器中，通过磁力搅拌器使光催化剂高度均匀分散于反应液中；

4)涂抹真空脂将石英容器连接到反应装置上，在反应前整个体系先抽真空同时通入冷凝水保证反应溶液温度在19℃；

5)在300w的xe灯照射下，每隔一个小时取一次样，通过气相色谱仪的tcd检测器进行在线分析，得出产物氢气的量(实验得出，在连续反应4个小时后，产氢量可达510μmol·h^-1·g^-1)。

其中，在步骤3)中，乳酸水溶液中，乳酸和水的体积比为1：4。

实施例3

请参阅图1-2，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂，其制备过程包括如下两个步骤：

1)采用水热法合成zns；

2)采用逐步光沉积工艺将pt纳米颗粒和步骤1)制得的zns与rgo结合，即制得pt/zns-rgo光催化剂。

其中，在步骤1)中，在连续磁力搅拌下将5mmol的zncl2和10mmol的硫代乙酰胺溶解在含45ml乙醇和15ml甘油的混合物溶液中，并连续搅拌至形成澄清溶液；然后，将混合物在聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中180℃下水热10h，并自然冷却至室温；离心收集沉淀物，然后用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次；洗涤处理后，将产物在60℃下干燥过夜，即制得zns。

在步骤2)中，逐步光沉积工艺具体步骤如下：

21)用改进的hummers方法将石墨粉末氧化获得go；

22)将10mg的go分散在40ml乙醇中超声30min，然后在上述乙醇溶液中加入200mg的zns；

23)在连续磁力搅拌下用300w的xe灯照射溶液，从而使go还原；

24)添加500μl的h2ptcl6(0.0072mm，1wt％)使pt纳米颗粒沉积在rgo上；

25)将粉末抽滤并真空干燥过夜，得到含有1wt％pt和2wt％rgo的pt/zns-rgo(pzg-5)光催化剂。

请参阅图3，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂制备氢气的方法，包括以下步骤：

3)称取20mg的pt/zns-rgo(pzg-5)光催化剂和100ml乳酸水溶液放入一个顶端可透光的100ml石英容器中，通过磁力搅拌器使光催化剂高度均匀分散于反应液中；

4)涂抹真空脂将石英容器连接到反应装置上，在反应前整个体系先抽真空同时通入冷凝水保证反应溶液温度在21℃；

5)在300w的xe灯照射下，每隔一个小时取一次样，通过气相色谱仪的tcd检测器进行在线分析，得出产物氢气的量(实验得出，在连续反应4个小时后，产氢量可达484μmol·h^-1·g^-1)。

其中，在步骤3)中，乳酸水溶液中，乳酸和水的体积比为1：4。

实施例4

请参阅图1-2，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂，其制备过程包括如下两个步骤：

1)采用水热法合成zns；

2)采用逐步光沉积工艺将pt纳米颗粒和步骤1)制得的zns与rgo结合，即制得pt/zns-rgo光催化剂。

其中，在步骤1)中，在连续磁力搅拌下将5mmol的zncl2和10mmol的硫代乙酰胺溶解在含45ml乙醇和15ml甘油的混合物溶液中，并连续搅拌至形成澄清溶液；然后，将混合物在聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中180℃下水热10h，并自然冷却至室温；离心收集沉淀物，然后用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次；洗涤处理后，将产物在60℃下干燥过夜，即制得zns。

在步骤2)中，逐步光沉积工艺具体步骤如下：

21)用改进的hummers方法将石墨粉末氧化获得go；

22)将14mg的go分散在40ml乙醇中超声30min，然后在上述乙醇溶液中加入200mg的zns；

23)在连续磁力搅拌下用300w的xe灯照射溶液，从而使go还原；

24)添加500μl的h2ptcl6(0.0072mm，1wt％)使pt纳米颗粒沉积在rgo上；

25)将粉末抽滤并真空干燥过夜，得到含有1wt％pt和2wt％rgo的pt/zns-rgo(pzg-7)光催化剂。

请参阅图3，一种用原位构建的pt/zns-rgo光催化剂制备氢气的方法，包括以下步骤：

3)称取20mg的pt/zns-rgo(pzg-7)光催化剂和100ml乳酸水溶液放入一个顶端可透光的100ml石英容器中，通过磁力搅拌器使光催化剂高度均匀分散于反应液中；

4)涂抹真空脂将石英容器连接到反应装置上，在反应前整个体系先抽真空同时通入冷凝水保证反应溶液温度在20℃；

5)在300w的xe灯照射下，每隔一个小时取一次样，通过气相色谱仪的tcd检测器进行在线分析，得出产物氢气的量(实验得出，在连续反应4个小时后，产氢量可达401μmol·h^-1·g^-1)。

其中，在步骤3)中，乳酸水溶液中，乳酸和水的体积比为1：4。

本发明通过水热-光沉积两步法合成了一种pt/zns-rgo纳米微球，利用zns、go和pt颗粒之间的优良相互作用，实现了增强的光电催化水分解，通过调节复合剂量为2wt.％rgo和1wt.％pt，可以合成具有最佳性能的pt/zns-rgo光催化剂，其光催化活性比纯zns高8倍左右。

pt/zns-rgo光催化剂的合成方法绿色环保、操作简单、性能良好，制得的pt/zns-rgo光催化剂具有较好的光催化产氢性能，在300w的xe灯照射下，产生氢气连续且稳定。

此外，本申请成功的引入了rgo，并通过光沉积将丰富的pt装配到zns中，这可能为设计更合理的光驱异质结构半导体开辟了新途径，以开发其潜在的光催化水分解应用。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。