[发明专利]一种二维层状金属钙/铟双氢氧化物及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种二维层状金属钙/铟双氢氧化物，具有如下的晶体结构：由带正电的二维骨架结构以及层间阴离子和结合水构成，元素比1：2的铟和钙元素与以它们成八面体构型的羟基构成带正电的二维骨架，在两层二维骨架之间由碳酸根中和多余正电荷，同时结合水、碳酸根以及骨架上的羟基三者之间形成稳定的氢键结构。本发明还给出此种二维层状金属钙/铟双氢氧化物的制备方法，及其在光催化产氢的应用。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，尤其涉及一种二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物及其制备方法和应用。

背景技术

随着能源短缺、气候变暖、环境污染等全球性问题的日益突出，太阳能、风能、氢能等可再生能源的开发已成为日益紧迫的科技问题。氢气作为一种新的可再生能源，由于其能量密度高、无污染等优点，引起了人们的极大研究热情。最常见的制氢方法有电解法、电催化法和光催化法。特别是光催化分解水是一种非常环保、有效、有发展前景的方法，其中光催化剂是最关键的因素，它需要合适的带隙、能带结构和高比表面积。因此，二维纳米材料由于本身的结构特性而成为光催化剂的理想材料。二维纳米材料是指在厚度方向只有1到几个原子厚度且横向尺寸可到微米以上的新型纳米材料，包括石墨烯、锗烯、磷烯、过渡金属二硫基化物、六方氮化硼、二维共价有机骨架、二维金属有机骨架、二维钙钛矿和层状金属双氢氧化物等。

二维纳米材料的高比表面积能提供更多的活性位点，有利于提高催化反应效率。然而，一般的二维层状金属双氢氧化物都是通过金属盐类在恒定PH的碱性溶液中共沉淀得到，制备条件相对严苛。而且已知的二维层状金属双氢氧化物的带隙都普遍较大，对长波长方向的光利用不足。因此，开发出具有较低带隙的二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物是一种有效利用长波长的光的途径，并且此种方法产量大，操作简单。具有较低带隙的二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物不仅可以提供更多活性位点，同时低带隙也能更好地利用长波长光，再者层内羟基、层间阴离子以及结合水能有效水分子进行光催化分解，可以作为光催化产氢材料应用于新型清洁能源领域。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物及其制备方法和应用，制备的二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物具有较高的光催化产氢效率。技术方案如下：

本发明提供了一种二维层状金属钙/铟双氢氧化物，具有如下的晶体结构：由带正电的二维骨架结构以及层间阴离子和结合水构成，元素比1：2的铟和钙元素与以它们成八面体构型的羟基构成带正电的二维骨架，在两层二维骨架之间由碳酸根中和多余正电荷，同时结合水、碳酸根以及骨架上的羟基三者之间形成稳定的氢键结构。

进一步地，二维层状金属钙/铟双氢氧化物的层厚在3.91nm，由5层二维骨架堆叠而成，具有1.24eV的带隙。

实验结果表明，上述二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物在大于420nm波长的光照下，添加3wt.％铂作为助催化剂，以甲醇作为空穴牺牲剂，其光催化产氢速率可达467.2μmol/g/h。

本发明还提供了上述二维层状金属钙/铟双氢氧化物的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属钙、金属铟和红磷按照(0.4-1)：(2.0-3.0)：(0.5-1.0)的质量配比，混合后真空封装，将封装好的混合物置于炉中，于惰性气气氛下，加热到800-1000℃，保温一段时间后，冷却到室温；

(2)取出制备好的前驱体在室温下放置于空气中一段时间，得到中间体；

(3)将中间体在去离子水中超声一段时间后，得到二维层状金属钙/铟双氢氧化物的悬浊液；

(4)洗涤并干燥二维层状金属钙/铟双氢氧化物的悬浊液，得到二维层状金属钙/铟双氢氧化物的粉末样品。

本发明提供了上述二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物或上述制备方法制备的二维层状金属(钙/铟)双氢氧化物催化剂材料作为光催化分解水产氢的应用。所述光催化分解水产氢应用可应用于新型清洁能源领域。