[发明专利]一种具有可见光响应的氢化锗及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型光催化材料，特别涉及一种具有可见光响应的氢化锗及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着全球能源危机和环境污染的加剧，氢能作为太阳能的有效载体，可以有效解决太阳能存储和运输等问题。自从1972年，Fijishima和Honda报道了在n型半导体TiO₂单晶电极上光致分解水产生H₂和O₂，利用太阳能进行光催化分解水制取清洁、高效和可再生的氢气的研究越来越受到全球的广泛关注。利用半导体光催化剂把光能转化成电能和化学能已成为近年国际上最活跃的研究领域之一。其中光催化分解水制氢以其独特的优势引起世界各国科学家的广泛关注，对其进行广泛的理论以及实验研究将具有非常重要的战略和现实意义。

然而，可见光占太阳光谱中的43％左右，远大于紫外光(3～4％)所占比例，因此，研究开发可见光响应的光催化剂以及充分高效利用太阳能制氢成为目前研究学者们研究的重点，更具有实际意义。

氢化锗的研究应用在近几年成为一个研究热点。《美国化学协会》(ACS Nano,2013,4414-4421)，(ACS Nano,2013,2898-2926)和《化学物理杂志》(THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS,2013,124709-5)报道了氢化锗是一种氢为终端的锗的多层石墨烷类似物，并具有1.53eV的直接带隙。因此，将氢化锗应用于光催化领域具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可见光响应的氢化锗及其制备方法和应用，该材料在可见光区域具有很强的吸收，且具有较强的光催化活性，包括光催化分解水产氢及光催化降解有机染料罗丹明B。

本发明采取的技术方案如下：

一种具有可见光响应的氢化锗的制备方法，包括步骤如下：

1)利用熔融助溶剂生长晶体法合成前驱体锗化钙：在充满氩气的手套箱内，按照Ca、Ge、Pb的摩尔比为Ca:Ge:Pb＝0.7～1.5:2:20～25称量上述三种单质，混合后放入氧化铝坩埚内，并用高真空线操作技术(vacuum-line)将氧化铝坩埚密封在石英玻璃管内，加热炉在4个小时内将体系升温至1000℃并保温18-22个小时，再以每小时3-7℃的速度降温至600℃，保温10-15个小时；随后将玻璃管取出，倒置放入离心机内离心将熔融助溶剂铅分离出去并进行收集，在手套箱中的显微镜下挑选出片状晶体前驱体锗化钙；

2)将所述前驱体锗化钙在-30℃的低温恒温乙醇浴中与浓盐酸反应24-48h，自然恢复至室温，离心分离、洗涤、干燥而得。

优选的，所述摩尔比例关系为Ca:Ge＝1:2。

步骤(1)所述的离心速度为3000-3500转/min。

步骤(2)中前驱体锗化钙与浓盐酸的比例为0.2:100，g/ml；浓盐酸的质量浓度为37％。上述方法制得的具有可见光响应的氢化锗，具有层状结构。可见光下产氢速率为22μmol·h^-1·g^-1。

所述的具有可见光响应的氢化锗作为催化剂在可见光催化分解水产生氢中的应用。

一种氢化锗光催化剂，含有上述的具有可见光响应的氢化锗，并在光照下制得。

所述的一种氢化锗光催化剂的制备方法：将所述的氢化锗样品加入到去离子水和甲醇的混合溶液中，并负载氢化锗质量1.0 wt％的贵金属铂，在不断搅拌下用300W氙灯照射0.5-1个小时而得。

所述的去离子水、甲醇用量为每50mg氢化锗样品，用20-30毫升去离子水，20-25毫升甲醇。

本发明可见光响应光催化材料氢化锗的应用，应用光催化分解水产氢及空气、废水、地表水或饮用水中有机污染物的去除。

本发明的优良效果如下：

1.本发明光催化材料氢化锗具有层状结构，该光催化材料是可见光响应。

2.本发明通过离子交换方法，将锗化钙中的钙交换成氢，反应形成氢化锗。

3.所得到的氢化锗光催化材料，显示出较好的光催化活性，能在6小时分解水产氢135umol，4分钟内降解82％的罗丹明B有机染料。

4.本发明光催化材料制备合成方法条件可控，具有较高的商业化应用前景。