一种KNbO3/MoS2压电光催化剂及其制备方法和应用与流程

一种knbo3/mos2压电光催化剂及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种knbo3/mos2压电光催化剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.光催化降解是处理工业、农业和生活污染物的一种清洁高效的方法。该过程主要包括光收集、光诱导载流子分离转移、表面催化反应三个步骤。因此，抑制光生载流子的复合并促进其迁移是提高光催化性能的最有效途径之一。为了实现这一目标，已经开发了各种方法，如杂质掺杂、缺陷工程、半导体异质结构筑。一般的光催化异质结在接触界面附近包含一个内置电场，它提高了光生载流子的分离效率。然而，由于静电屏蔽效应，静态内置电场可以被自由载流子饱和，这对改善界面电荷分离很有效，但对体电荷效果不足。压电场构建是解决光催化系统这一问题的有效策略。具有非中心对称结构的压电材料可以通过周期性的外部机械能产生改变的极化场。压电催化剂中的自由载流子可以有效分离，迅速向表面转移，然后参与氧化反应。因此，由于压电场可以抑制催化剂界面和催化剂内部的电子-空穴复合，提高催化性能，压电-光催化混合异质结引起了人们的广泛关注。
3.虽然压电光催化杂化异质结已被证明是一种很有前途的提高催化性能的方法，可以在压电催化剂的本体和异质结界面处实现光生电子-空穴对的空间分离和转移，然而，在光催化剂中，其内部电子-空穴对的分离是不够，导致电子-空穴复合，影响压电光催化性能和对污染物降解。为了克服这一问题，有必要研究一种促进光生载流子分离和转移的有效策略。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种knbo3/mos2压电光催化剂及其制备方法和应用。本发明制得的knbo3/mos2压电光催化剂可以将捕获的更多的机械应变转化为增强的压电极化场，促进载流子的分离和迁移，从而具有优异的压电催化活性和较高的污染物降解率，并且制备工艺简单，具有显著的技术优势。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种knbo3/mos2压电光催化剂，所述knbo3/mos2压电光催化剂的结构为二硫化钼纳米片均匀分布在knbo3上。
6.优选地，所述knbo3/mos2中mo与nb的摩尔比为(1～4)：1。
7.knbo3具有优良的光催化和压电特性且无毒，knbo3为abo3结构，在室温下是一种正交晶相，露出对称中心，具有压电效应，knbo3的特殊结构特征在能量收集和催化方面有巨大的应用。mos2作为一种典型的压电材料，具有优异的压电响应和物理化学性质。本发明通过在knbo3上生长少层二硫化钼纳米片，制备得到一种二元压电集成压电光催化异质结knbo3/mos2，knbo3纳米片能够为mos2提供生长基底，避免了mos2的团聚和堆积，mos2在knbo3纳米片上均匀分布，使mos2的活性位点充分暴露，从而提升压电催化活性和污染物降解率。
8.本发明中的mos2是由大量纳米片组成的纳米花，knbo3呈多层薄片状，制得的
knbo3/mos2压电光催化剂中mos2与knbo3之间存在紧密的接触界面，由于mos2和knbo3的非中心对称结构产生了压电效应，在mos2和knbo3中快速建立了压电极化场，压电场引起带能倾斜，显著促进了mos2和knbo3表面的光生载流子和自由载流子的分离。水流诱导knbo3和mos2产生的压电极化场协同促进了knbo3、mos2内及其异质结界面的电荷分离和转移。当催化剂受到机械振动时，由于二元压电协同效应，二元压电集成的压电光电催化剂knbo3/mos2可以将捕获的更多的机械应变转化为增强的压电极化场，较大的压电场促进了载流子的分离和迁移，从而具备优异的压电催化活性和较高的污染物降解率。
9.本发明还请求保护一种所述knbo3/mos2压电光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
10.将na2moo
4-2h2o和c2h5ns溶解在去离子水中，搅拌至溶液透明，调节ph值，将knbo3分散到溶液中，连续搅拌，将混合溶液放入反应釜中，反应，得到沉淀物，将沉淀物进行洗涤，干燥，制得所述knbo3/mos2压电光催化剂。
11.优选地，所述na2moo
4-2h2o和c2h5ns中s和mo的摩尔比为(4～6)：1。
12.更优选地，所述na2moo
4-2h2o和c2h5ns中s和mo的摩尔比为6：1。
13.优选地，所述去离子水的加入量为30～100ml。
14.优选地，所述knbo3的加入量为去离子水加入量的0.003～0.005倍。
15.优选地，所述搅拌的时间为30～60min。
16.优选地，所述调节ph值为采用盐酸将溶液的ph值调节至5，其中盐酸的浓度为36.5％。
17.优选地，所述连续搅拌的时间为1～2小时。
18.优选地，所述反应的条件为在200～250℃下加热12～36小时。
19.优选地，所述洗涤的溶剂为去离子水。
20.优选地，所述干燥的温度为60～80℃。
21.优选地，所述knbo3的制备方法包括以下步骤：
22.正交相knbo3(o-knbo3)纳米片的合成：将nb2o5分散在koh水溶液中，搅拌，将混合后的溶液放入反应釜中，反应，收集白色沉淀物，洗涤，干燥，制得所述knbo3。
23.优选地，所述nb2o5与koh的质量比为1：(10～15)。
24.优选地，所述koh水溶液的浓度为15～20m。
25.优选地，所述搅拌的时间为20～50min。
26.优选地，所述反应的条件为在160～200℃下放置12～36h。
27.优选地，所述洗涤的条件为用去离子水清洗，直到溶液的ph＝7。
28.优选地，所述干燥为在60～80℃下干燥10～12h。
29.本发明还请求保护一种所述knbo3/mos2压电光催化剂或所述制备方法制得的knbo3/mos2压电光催化剂在污染物降解领域中的应用。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.本发明制得的knbo3/mos2压电光催化剂能够有效克服现有技术所生产压电-光催化剂中光催化剂内部电子-空穴对的分离不足的缺点，本发明通过knbo3和mos2组分之间的协同作用，制得的knbo3/mos2催化剂可以将捕获的更多的机械应变转化为增强的压电极化场，促进了载流子的分离和迁移，从而具有优异的压电催化活性和较高的污染物降解率，并且制备工艺简单，具有显著的技术优势。
附图说明
32.图1为本发明knbo3/mos2中k、nb、o、mo、s元素对应的映射图像。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例，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。
34.实施例、对比例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
35.本发明实施例中knbo3的制备方法为：
36.正交相knbo3(o-knbo3)纳米片的合成：将0.8g nb2o5分散在20m koh水溶液中，磁力搅拌30分钟后，将混合后的溶液放在有聚四氟乙烯衬里内衬的反应釜中，在180℃下放置24小时，收集白色沉淀物，用去离子水清洗，直到溶液的ph＝7，将得到的样品在60℃下干燥12小时，制得所述knbo3。
37.实施例1、一种knbo3/mos2压电光催化剂及其制备方法
38.将0.81g na2moo
4-2h2o和1.5g c2h5ns(s：mo的摩尔比为6)溶解在去离子水(50ml)中，磁力搅拌30分钟至溶液透明，通过加入盐酸将溶液的ph值调整到5，之后将0.2g制得的o-knbo3分散到溶液中，连续搅拌1小时，之后将混合溶液放在有聚四氟乙烯衬里内衬的反应釜中，在220℃环境下加热24小时，沉淀物用去离子水洗净，并在60℃下干燥，制得所述knbo3/mos2压电光催化剂，记为knbo3/mos
2-3(mo/nb的摩尔比为3)。
39.实施例2、一种knbo3/mos2压电光催化剂及其制备方法
40.将0.27g na2moo
4-2h2o和0.33g c2h5ns(s：mo的摩尔比为4)溶解在去离子水(50ml)中，磁力搅拌30分钟至溶液透明，通过加入盐酸将溶液的ph值调整到5，之后将0.2g制得的o-knbo3分散到溶液中，连续搅拌1小时，之后将混合溶液放在有聚四氟乙烯衬里内衬的反应釜中，在220℃环境下加热24小时，沉淀物用去离子水洗净，并在60℃下干燥，制得所述knbo3/mos2压电光催化剂，记为knbo3/mos
2-1(mo/nb的摩尔比为1)。
41.实施例3、一种knbo3/mos2压电光催化剂及其制备方法
42.将0.54g na2moo
4-2h2o和1.0g c2h5ns(s：mo的摩尔比为6)溶解在去离子水(50ml)中，磁力搅拌30分钟至溶液透明，通过加入盐酸将溶液的ph值调整到5，之后将0.2g制得的o-knbo3分散到溶液中，连续搅拌1小时，之后将混合溶液放在有聚四氟乙烯衬里内衬的反应釜中，在220℃环境下加热24小时，沉淀物用去离子水洗净，并在60℃下干燥，制得所述knbo3/mos2压电光催化剂，记为knbo3/mos
2-2(mo/nb的摩尔比为2)。
43.实施例4、一种knbo3/mos2压电光催化剂及其制备方法
44.将1.08g na2moo
4-2h2o和2.0g c2h5ns(s：mo的摩尔比为6)溶解在去离子水(50ml)中，磁力搅拌60分钟至溶液透明，通过加入盐酸将溶液的ph值调整到5，之后将0.2g制得的o-knbo3分散到溶液中，连续搅拌2小时，之后将混合溶液放在有聚四氟乙烯衬里内衬的反应釜中，在220℃环境下加热24小时，沉淀物用去离子水洗净，并在60℃下干燥，制得所述knbo3/mos2压电光催化剂，记为knbo3/mos
2-4(mo/nb的摩尔比为4)。
45.对比例1
46.将0.81g na2moo
4-2h2o和1.5g c2h5ns(s：mo的摩尔比为6)溶解在去离子水(50ml)中，磁力搅拌30分钟至溶液透明，之后将混合溶液放在有聚四氟乙烯衬里内衬的反应釜中，在220℃环境下加热24小时，沉淀物用去离子水洗净，并在60℃下干燥，制得mos2。
47.对比例2
48.与实施例1相比，本对比例的区别仅在于，只含有knbo3。
49.knbo3的加入量和制备方法同实施例1。
50.对比例3
51.与实施例1相比，本对比例的区别仅在于，knbo3/mos2中mo/nb的摩尔比为5。
52.制备方法参考实施例1。
53.性能测试
54.mos2、knbo3和knbo3/mos2催化剂的压电光催化活性是通过光照下和/或超声下降解rhb来实现的。
55.测试方法：通过罗丹明b(rhb)(10ppm)的降解，阐明了制备催化剂的压电光催化活性。使用超声波清洗器(120w，40khz，ym-020s)提供了一个周期性的机械应变。采用300w xe灯光源作为模拟光照射。在一个典型的催化过程中，将50mg的样品分散到50ml的污染物水溶液中，在光照下和/或超声下条件下，每3min取出1.2ml悬浮液，12000rpm离心1min得到上清液。用紫外-可见分光光度计测定了rhb的浓度。
56.实验结果如表1所示。
57.表1各样品的降解速率常数
[0058][0059][0060]
从图1可以得知，本发明实施例knbo3/mos2的eds元素映射图像显示了mo、s、k、o和nb的共存，以及knbo3/mos2表面的均匀分布。
[0061]
从表1中的数据可以得知，本发明实施例1～4制得的knbo3/mos2压电光催化剂具有良好的光催化、压电催化以及压电光催化活性。在单独光照射下，knbo3/mos2催化剂的降解速率常数可以保持在0.311
×
10-2
～0.981
×
10-2
min-1
的范围；在单次超声作用30min下，降
解速率常数可以保持在5.728
×
10-2
～9.419
×
10-2
min-1
的范围；在光照和超声同时作用下，降解速率常数可以保持在7.282
×
10-2
～16.979
×
10-2
min-1
的范围。
[0062]
对比例1和对比例2的催化剂中只含有单一的mos2或knbo3，具有的光催化、压电催化以及压电光催化活性均差于实施例；对比例3制得的knbo3/mos2催化剂中mo/nb的摩尔比不合适，导致具有的催化活性降低。
[0063]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种knbo3/mos2压电光催化剂，其特征在于，所述knbo3/mos2压电光催化剂的结构为二硫化钼纳米片均匀分布在knbo3上。2.如权利要求1所述knbo3/mos2压电光催化剂，其特征在于，所述knbo3/mos2中mo与nb的摩尔比为(1～4)：1。3.一种如权利要求1～2任一所述knbo3/mos2压电光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将na2moo
4-2h2o和c2h5ns溶解在去离子水中，搅拌，调节ph值，将knbo3分散到溶液中，连续搅拌，将混合溶液放入反应釜中，反应，得到沉淀物，将沉淀物进行洗涤，干燥，制得所述knbo3/mos2压电光催化剂。4.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，至少包括以下(1)～(3)中的一项：(1)所述na2moo
4-2h2o和c2h5ns中s和mo的摩尔比为(4～6)：1；(2)所述去离子水的加入量为30～100ml；(3)所述knbo3的加入量为去离子水加入量的0.003～0.005倍。5.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，至少包括以下(1)～(2)中的一项：(1)所述搅拌的时间为30～60min；(2)所述调节ph值为采用盐酸将溶液的ph值调节至5。6.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，至少包括以下(1)～(4)中的一项：(1)所述连续搅拌的时间为1～2小时；(2)所述反应的条件为在200～220℃下加热12～36小时；(3)所述洗涤的溶剂为去离子水；(4)所述干燥的温度为60～80℃。7.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述knbo3的制备方法包括以下步骤：将nb2o5分散在koh水溶液中，搅拌，将混合后的溶液放入反应釜中，反应，收集白色沉淀物，洗涤，干燥，制得所述knbo3。8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，至少包括以下(1)～(2)中的一项：(1)所述nb2o5与koh的质量比为1：(10～15)；(2)所述koh水溶液的浓度为15～20m。9.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，至少包括以下(1)～(4)中的一项：(1)所述搅拌的时间为20～50min；(2)所述反应的条件为在160～200℃下放置12～36h；(3)所述洗涤的条件为用去离子水清洗，直到溶液的ph＝7；(4)所述干燥为在60～80℃下干燥10～12h。10.一种如权利要求1～2任一所述knbo3/mos2压电光催化剂或如权利要求3～9任一所述制备方法制得的knbo3/mos2压电光催化剂在污染物降解领域中的应用。

技术总结
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种KNbO3/MoS2压电光催化剂及其制备方法和应用。本发明所述KNbO3/MoS2压电光催化剂的结构为二硫化钼纳米片均匀分布在KNbO3上。本发明制得的KNbO3/MoS2压电光催化剂可以将捕获的更多的机械应变转化为增强的压电极化场，促进载流子的分离和迁移，从而具有优异的压电催化活性和较高的污染物降解率，并且制备工艺简单，具有显著的技术优势。具有显著的技术优势。具有显著的技术优势。


技术研发人员：王青 盘思伟 钱艺华 赵耀洪 方鹏飞 马文妹 李媛媛
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/9/26