[發明專利]一種二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202011026916.6
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112156766B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 封偉;王宇;馮奕鈺;梁雪靜
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B01J23/08
• 分類號: B01J23/08;B01J23/62;B01J35/02;C01B3/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物，具有如下的晶體結構：由帶正電的二維骨架結構以及層間陰離子和結合水構成，元素比1：2的銦和鈣元素與以它們成八面體構型的羥基構成帶正電的二維骨架，在兩層二維骨架之間由碳酸根中和多余正電荷，同時結合水、碳酸根以及骨架上的羥基三者之間形成穩定的氫鍵結構。本發明還給出此種二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物的制備方法，及其在光催化產氫的應用。

技術領域

本發明涉及光催化技術領域，尤其涉及一種二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物及其制備方法和應用。

背景技術

隨著能源短缺、氣候變暖、環境污染等全球性問題的日益突出，太陽能、風能、氫能等可再生能源的開發已成為日益緊迫的科技問題。氫氣作為一種新的可再生能源，由于其能量密度高、無污染等優點，引起了人們的極大研究熱情。最常見的制氫方法有電解法、電催化法和光催化法。特別是光催化分解水是一種非常環保、有效、有發展前景的方法，其中光催化劑是最關鍵的因素，它需要合適的帶隙、能帶結構和高比表面積。因此，二維納米材料由于本身的結構特性而成為光催化劑的理想材料。二維納米材料是指在厚度方向只有1到幾個原子厚度且橫向尺寸可到微米以上的新型納米材料，包括石墨烯、鍺烯、磷烯、過渡金屬二硫基化物、六方氮化硼、二維共價有機骨架、二維金屬有機骨架、二維鈣鈦礦和層狀金屬雙氫氧化物等。

二維納米材料的高比表面積能提供更多的活性位點，有利于提高催化反應效率。然而，一般的二維層狀金屬雙氫氧化物都是通過金屬鹽類在恒定PH的堿性溶液中共沉淀得到，制備條件相對嚴苛。而且已知的二維層狀金屬雙氫氧化物的帶隙都普遍較大，對長波長方向的光利用不足。因此，開發出具有較低帶隙的二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物是一種有效利用長波長的光的途徑，并且此種方法產量大，操作簡單。具有較低帶隙的二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物不僅可以提供更多活性位點，同時低帶隙也能更好地利用長波長光，再者層內羥基、層間陰離子以及結合水能有效水分子進行光催化分解，可以作為光催化產氫材料應用于新型清潔能源領域。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物及其制備方法和應用，制備的二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物具有較高的光催化產氫效率。技術方案如下：

本發明提供了一種二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物，具有如下的晶體結構：由帶正電的二維骨架結構以及層間陰離子和結合水構成，元素比1：2的銦和鈣元素與以它們成八面體構型的羥基構成帶正電的二維骨架，在兩層二維骨架之間由碳酸根中和多余正電荷，同時結合水、碳酸根以及骨架上的羥基三者之間形成穩定的氫鍵結構。

進一步地，二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物的層厚在3.91nm，由5層二維骨架堆疊而成，具有1.24eV的帶隙。

實驗結果表明，上述二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物在大于420nm波長的光照下，添加3wt.％鉑作為助催化劑，以甲醇作為空穴犧牲劑，其光催化產氫速率可達467.2μmol/g/h。

本發明還提供了上述二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物的制備方法，包括以下步驟：

(1)將金屬鈣、金屬銦和紅磷按照(0.4-1)：(2.0-3.0)：(0.5-1.0)的質量配比，混合后真空封裝，將封裝好的混合物置于爐中，于惰性氣氣氛下，加熱到800-1000℃，保溫一段時間后，冷卻到室溫；

(2)取出制備好的前驅體在室溫下放置于空氣中一段時間，得到中間體；

(3)將中間體在去離子水中超聲一段時間后，得到二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物的懸濁液；

(4)洗滌并干燥二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物的懸濁液，得到二維層狀金屬鈣/銦雙氫氧化物的粉末樣品。

本發明提供了上述二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物或上述制備方法制備的二維層狀金屬(鈣/銦)雙氫氧化物催化劑材料作為光催化分解水產氫的應用。所述光催化分解水產氫應用可應用于新型清潔能源領域。