[发明专利]一种碳壳包覆的钼酸铅纳米晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料合成领域，具体地涉及一种碳壳包覆的半导体纳米材料及其合成方法以及所述碳壳包覆的半导体纳米材料在氢能源领域的应用，更具体地说是涉及到运用柠檬酸来控制合成不同碳壳厚度的钼酸铅纳米材料，此外还涉及了所制备的钼酸铅及其碳包覆的钼酸铅纳米材料在光电催化裂解水方面的应用。

背景技术

氢气是一种清洁、无污染的新型能源，有望替代化石燃料，满足全球能源需求、缓解能源危机。目前，利用太阳光进行光电催化裂解水制备氢气具有环保节能、可持续等优点，成为人们关注的热点。但是现阶段光光电催化裂解水装置中的半导体电极材料仍然受到严重的制约，导致光电催化裂解水产氢的效率低、工业化成本高、以及稳定性差等问题。

钼酸铅作为一类重要的p型半导体材料，它的带隙能量为3.2eV，其中价带能量约为-0.6eV，导带能量约为2.6eV，是常用的光致发光、闪烁体、传感器和光催化材料。此外，相对于其它常见半导体材料，钼酸铅在自然界中以白钨矿形式存在，储量丰富，使用成本低。然而p型半导体作为光电化学分解水的阴极材料存在一个严重的缺陷，就是长时间工作容易被电解液还原，稳定性比较差，寿命比较短。因此，美国奥斯丁德州大学合成了p-n型的p-PbMoO₄/n-Bi₂O₃纳米复合材料，并测试了该材料在光电催化裂解水的性能(J.Phys.Chem.Lett.2013,4,2707-2710)。测试数据显示：形成的p-n型纳米复合材料的稳定性能得到改善。但是这种半导体与半导体的复合，降低了材料的导电性，影响了其光催化效率；而且在制备过程中，存在工艺复杂、成本较高等问题。

发明内容

在本发明中，发明人在溶剂热合成方法中运用柠檬酸来可控制备钼酸铅以及碳包覆的钼酸铅纳米晶。反应溶液中加入不同量的柠檬酸可以得到碳壳厚度为2至20纳米包覆的钼酸铅纳米晶体。通过测量发现，钼酸铅外的碳层可以提升材料的导电性，阻止钼酸铅被电解质溶液腐蚀。因此所制备的碳壳包覆的钼酸铅纳米晶体相对于裸露的钼酸铅纳米晶，其光电催化裂解水的效率和稳定性得到了较大提升。

本发明的一个目的在于提供一种碳壳包覆的钼酸铅纳米晶体，所述钼酸铅纳米晶体的碳壳厚度为2至20纳米，优选为2至10纳米，更优选为2至8纳米。例如可以为2纳米、5纳米或8纳米，最优选为2纳米，其长度及宽度约为50至100纳米与20至50纳米左右。

本发明的另一个目的在于提供一种碳壳包覆的钼酸铅纳米晶体的制备方法，所述制备方法包括：

1)在室温下，将摩尔比为1:1的三水合乙酸铅和七水合钼酸铵，以及适量的溶剂加入反应釜的聚四氟乙烯内衬里并搅拌2至15分钟；

2)基于总共100重量份的三水合乙酸铅和七水合钼酸铵，将100-2000重量份的柠檬酸加入到上述反应釜内衬里，再继续搅拌5至10分钟；

3)拧紧釜盖后将反应釜放入到100-240度的电热鼓风干燥箱中，并保持30-90分钟；

4)取出反应釜自然冷却到室温状态，随后，用无水乙醇与去离子水多次交叉离心、洗涤产物，并在真空干燥箱中干燥产物。从而得到了白色的产品。

优选地，在根据本发明的碳壳包覆的钼酸铅纳米晶体的制备方法的步骤1)中溶剂选自甲醇、乙醇和去离子水中的一种或多种，更优选为去离子水，基于总共100重量份的三水合乙酸铅和七水合钼酸铵，所述溶剂的量为5-20重量份。

优选地，在根据本发明的碳壳包覆的钼酸铅纳米晶体的制备方法的步骤2)中，基于总共100重量份的三水合乙酸铅和七水合钼酸铵，柠檬酸的加入量为100-1200重量份，优选为100-1050重量份，更优选为105-1050重量份，最优选为选自105重量份、210重量份或1050重量份。

有益效果

本发明具有如下的优点：此类合成方法简单、新颖、可控性强。利用柠檬酸高温分解来制备不同厚度的碳纳米层，成本低、环保、无污染。合成的碳材料包覆的钼酸铅复合纳米晶体纯度高、长度及其宽度约为100纳米与50纳米左右。另外，获得的钼酸铅复合材料外面包覆的碳壳，更利于电子的分离与转移。作为光电化学分解水的阴极材料，其稳定性和催化效率能也得到提高，也符合最新的清洁能源及其可持续能源方面的研究。

附图说明