[发明专利]一种可见光响应的复合光催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在可见光下有响应的复合光催化材料制备方法，这种光催 化材料是掺钇锆酸锶与二氧化钛复合后将金属铂在其表面沉积而成，它在可见 光下有较好光催化产氢活性。

背景技术

氢气作为一种新能源是当今能源、环境等领域中最热门的课题之一。其主 要原因之一是地球上煤、石油等化石能源将面临枯竭的危险，氢能将可能成为 最佳替代能源之一；其次是化石能源燃烧是环境污染主要来源。有研究表明地 球的温室效应有90％是因为人类燃烧化石源料造成；另外，氢气是一种无污染、 可再生的新能源。氢的发热值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高。 氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围；还有氢是自然界最 普遍、储量最丰富的元素之一，作为能源，氢能具有无可比拟的潜在开发价值。

目前传统的工业规模制氢的主要方法有：(1)从含烃的化石燃料中制氢；(2) 电解水制氢；(3)热化学制氢。以上这些方法中，90％都是通过天然的碳氢化合 物、天然气、煤、石油产品中制取氢气，从长远观点看，这已不符合可持续发 展的要求，从非化石燃料中制取氢气才是正确的途径，是未来能源制备技术的 主要发展方向之一，从水中获取氢气是重要的研究内容。

光解H₂O制取氢气是一个十分有应用前景的方法，通常通过以下三个途径 实现：(1)光电化学池电化学分解：将H₂O分解制取H₂+O₂。方法容易实现， 需外加电压消耗能源，能量转换效率低。(2)光助络合催化化学分解：过程模 拟光合作用，但反应体系除光敏剂外还需催化剂、电子中继物、表面活性剂等。 反应期快，失效也快。(3)半导体光催化分解：方法环境友好，除太阳光外， 无需外加能量，所以半导体光催化制气的方法倍受关注。因此，太阳能光催化 分解水制氢技术是近年来最热门的研究内容，其实用化的关键是获得性能优良、 对可见光有响应的光催化材料。

在现阶段，可见光的半导体光催化剂主要分为：(1)掺杂半导体光催化剂(包 括贵金属沉积、氧化物复合和多元掺杂)，这些研究都很难同时在可见光利用和 产氢速率上得到提高。(2)钙钛矿型氧化物光催化剂，目前在所研究的这类催化 剂中，产氢速率普遍偏低。(3)层状半导体氧化物光催化剂，由于层间复合必然 会减小催化剂的比表面积，使得光催化效率降低。(4)分子筛光催化剂，目前还 未找到有应用价值的分子筛光催化。继TiO₂以后，产氢光催化剂研究内容主要还 是集中于第一种类型，目前有逐步转移到金属氧酸盐与其复合物方面的倾向， 如：CaTiO₃、ZnGa₂O₄、CuMn₂O₄、NaInO₂、La₂Ti₂O₇等，其中稀土钙钛矿型氧 酸盐是最典型的代表。它们都能在一定条件下光催化产气，但是这些光催化剂 大多仅在紫外光范围内有响应，而紫外光仅占太阳光总能量的4％，或者光催化 产氢效率太低，无应用价值。

根据现有的光催化材料的不足，结合现有几类光催化剂的优点，提出了p-n 型异质结复合光催化剂观点，根据两种半导体的结构与性能关系，设计出与水 的电极电势和牺牲剂能级相匹配的复合光催化剂。通过掺杂后的p-型半导体与 n-型半导体有效复合，在异质结界面形成了理想的电子和空穴转移通道，显著 提高光量子的利用率。将复合光催化剂通过贵金属沉积组装成具有微电池性质 的多元复合体，进一步提高光催化产气效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种在可见光下有响应、 具有p-n结结构的载铂掺钇锆酸锶-二氧化钛复合光催化剂及其制备方法，制得 的光催化剂在可见光的作用下，以草酸为牺牲剂时，具有较强的产氢能力。同 时光催化剂制备方法简单，原料易得，使用寿命长的特点。

为实现这一目的，本发明在技术方案中以商品草酸钠、氧氯化锆、Sr(NO₃)₂、 氧化钇、纳米TiO₂等试剂采用分步法制得掺钇锆酸锶-二氧化钛复合光催化剂， 表观上是白色。其具体制备方法如下：