一种α-Fe2O3/TpPa-2复合材料的制备及光解水制氢的制作方法

本发明涉及一种α-fe2o3/tppa-2复合材料的制备及光解水制氢。

背景技术：

随着人们越来越关注能源危机和环境污染的全球性问题，寻找替代化石燃料的可持续且清洁的能源已成为人类社会面临的最重大挑战之一。在这种背景下，人们逐渐将目光投向了清洁的可再生能源，因其清洁、热值高等的特点，氢能被认为是最合适的替代品。在众多的制氢途径中，通过光催化分解水技术获得氢气被认为是实现这种能量转换的绿色可持续方式之一。在1972年，日本学者fujishima和honda研究发现当光照n-型半导体tio2电极时，可导致水分解。这一现象使人们认识到利用太阳能光催化制氢的可行性。自此，国内外研究学者们已经投入了大量精力来开发有效的光催化剂，但因其在光催化制氢的过程中可见光利用率低、光生电子和空穴复合率高等缺点，限制了其发展，因此开发强大而有效的可见光吸收光催化剂仍是光催化分解水研究的关键目标。

纳米α-fe2o3是目前新型光解水材料的研究热点之一。与其它光解水材料相比，α-fe2o3具有储量丰富、价格便宜、稳定性好和带隙宽度合适的优点。很多研究已证实将α-fe2o3与其他半导体材料复合构筑异质结，可以促进光催化制氢性能。

共价有机框架(cofs)材料是由轻原子(氢、硼、碳、氮等)通过共价键连接形成的具有二维拓扑结构的高度多孔有机聚合晶体材料，因其具有良好的可见光吸收、规整孔道结构及合适的禁带宽度等优点，成为一种非常有潜力的半导体光催化材料，但光生电子与空穴易复合的缺点使光催化效果不太理想。因此研制一种光解水制氢效率高的材料成为了研究热点。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有材料光解水制氢效率不高的问题，而提供一种α-fe2o3/tppa-2复合材料的制备方法。

本发明的一种α-fe2o3/tppa-2复合材料的制备方法是按以下步骤完成的：

一、α-fe2o3的制备；

二、α-fe2o3/tppa-2复合材料的制备：将α-fe2o3，2,5-二甲基对苯二胺和1,3,5-三醛基间苯三酚加入耐热玻璃管，随后加入1,3,5-三甲苯、1,4-二氧六环和醋酸的混合溶液，在超声频率为40khz的条件下超声处理30min，在液氮浴中进行三次冻融循环脱气，密封后于120℃中加热72h，过滤并用四氢呋喃洗涤数次，干燥即得α-fe2o3/tppa-2复合材料；

步骤二中2,5-二甲基对苯二胺和1,3,5-三醛基间苯三酚的质量比为1:1.05；

步骤二中所述1,3,5-三甲苯、1,4-二氧六环和醋酸体积比1:1:0.33；

步骤二中所述使用的醋酸的浓度为3mol·l^-1；

步骤二中所述的α-fe2o3与tppa-2之间形成z型异质结；

上述的α-fe2o3/tppa-2复合材料在光解水制氢方面的应用。

本发明的有益效果：

本发明采用溶剂热法，以2,5-二甲基对苯二胺和1,3,5-三醛基间苯三酚为原料，成功合成了一种片层状的tppa-2，但是该材料在可见光下光解水产氢效率较低，仅为0.070mmol·h^-1·g^-1。因此该发明在tppa-2基础上又合成了一种新的复合材料α-fe2o3/tppa-2，该材料有效的提高了tppa-2的光解水制氢性能，α-fe2o3/tppa-2复合材料的光解水产氢效率为1.46～3.77mmol·h^-1·g^-1。

附图说明

图1为α-fe2o3材料的x-射线粉末衍射图；

图2为α-fe2o3/tppa-2材料的x-射线粉末衍射图；

图3为α-fe2o3/tppa-2材料的扫描电镜(sem)图；

图4为α-fe2o3/tppa-2材料的光催化水解产氢图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明进行进一步说明，这些实施例仅对本发明的方法进行说明，对本发明的适用范围无任何限制。

实施例1：本实施方式的一种α-fe2o3/tppa-2材料的制备是按以下步骤完成的：

步骤一、α-fe2o3的制备；

步骤二、α-fe2o3/tppa-2复合材料的制备：将α-fe2o3(3.8mg)，1,3,5-三醛基间苯三酚(0.021g)和2,5-二甲基对苯二胺(0.020g)加入耐热玻璃管，随后加入1,3,5-三甲苯(1.5ml)、1,4-二氧六环(1.5ml)和醋酸(0.5ml、3mol·l^-1)的混合溶液，在超声频率为40khz的条件下超声处理30min，在液氮浴中进行三次冻融循环脱气，密封后于120℃中加热72h，过滤并用四氢呋喃洗涤数次，干燥即得α-fe2o3/tppa-2(质量比为1:9)复合材料；

实施例2：本实施方式与实施例1不同的是：步骤二所述的α-fe2o3的质量为8.5mg，其他步骤及参数与实施例1相同。得到α-fe2o3/tppa-2(质量比为2:8)复合材料；

实施例3：本实施方式与实施例1或2不同的是：步骤二所述的α-fe2o3的质量为14.6mg，其他步骤及参数与实施例1或2相同。得到α-fe2o3/tppa-2(质量比为3:7)复合材料；

实施例4：本实施方式与实施例1至3不同的是：步骤二所述的α-fe2o3的质量为22.7mg，其他步骤及参数与实施例1至2相同。得到α-fe2o3/tppa-2(质量比为4:6)复合材料；

实施例5：本实施方式与实施例1至4不同的是：步骤二所述的α-fe2o3的质量为34.0mg，其他步骤及参数与实施例1至4相同。得到α-fe2o3/tppa-2(质量比为5:5)复合材料；

为验证本发明的有益效果进行以下试验：

为考察α-fe2o3/tppa-2材料催化分解水产氢效果，按以下方法对其可见光光催化产氢性能进行测试。测试过程如下：光催化产氢实验在光催化活性评价在线分析系统进行，反应开始前，打开冷却循环系统，以确保光催化反应温度保持在恒定温度(4℃)，并用真空泵排除体系内空气。300w的xe灯(≥420nm)作为光源，以α-fe2o3/tppa-2(10mg)作为光催化剂，l-抗坏血酸钠(100mg)为牺牲剂，pbs缓冲溶液(50ml，0.1mol·l^-1，ph＝7)为反应液，超声30min使之形成均匀的悬浊液。如图所示，在可见光下，单独的α-fe2o3在可见光下几乎没有光催化水解制氢的性能，tppa-2在可见光下光解水产氢效率较低，仅为0.070mmol·h^-1·g^-1；而新型的α-fe2o3/tppa-2复合材料展现了很好的光催化水解制氢的性能，其光解水产氢效率为1.46～3.77mmol·h^-1·g^-1。

技术特征：

技术总结
一种α‑Fe2O3/TpPa‑2异质结催化剂的制备及光解水制氢，涉及一种α‑Fe2O3/TpPa‑2异质结催化剂的制备及光解水制氢。本发明提供一种新型α‑Fe2O3/TpPa‑2材料，目的是为了解决现有TpPa‑2光解水制氢材料制氢效率不高的问题。方法：一、α‑Fe2O3的制备；二、α‑Fe2O3/TpPa‑2复合材料的制备。本发明的制备过程简单有效，试剂消耗少且产率高；且本发明提供的光催化剂能够有效提高TpPa‑2光解水制氢效率低的问题。本发明应用于光催化水解制氢领域，实验表明该复合材料具有优异的光解水制氢性能，在300 W氙灯照射下分解H2O产氢速率可达到3.77 mmol·h‑1·g‑1。

技术研发人员：孙晓君;张养鹏;张凤鸣;董鸿
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2019.05.27
技术公布日：2019.08.09