[发明专利]一种具有可见光响应的复合铜酸盐光催化材料的制备及应用

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 化材料是掺钇铁酸铜-钴酸铜复合光催化剂，它在可见光下有较好的光催化产氢 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 要原因是能源与环境问题已日益严峻，地球上煤、石油等化石能源将面临枯竭 的危险，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；而氢气 是一种无污染、可再生的新能源，其燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广 泛的可燃范围，氢的发热值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高，而 且氢是自然界最普遍、储量最丰富的元素之一。作为能源，氢能是最佳的选择。

利用太阳能光催化分解水制氢技术是开发氢能的重要途径，其关键是获得 性能优良的光催化材料。光解H₂O制取氢气通常包括光电化学池电化学分解水 制氢；光助络合催化化学分解水制氢和半导体光催化分解水制氢。后者方法环 境友好，除太阳光外，无需外加能量，所以半导体光催化制氢的方法倍受关注。

成功实现在可见光照射下高效的光解水制氢的关键是寻找合适的催化剂并 改性，提高光催化剂的光谱响应范围和催化效率。近年来，p型半导体的尖晶石 型化合物，如ZnCr₂O₄、CuMn₂O₄、ZnMn₂O₄、CuFe₂O₄、CuCo₂O₄、BaCr₂O₄等 被广泛用于可见光催化剂，表现出一定的可见光下产氢活性。但所有这些光催 化剂都存在可见光下产氢效率低、使用寿命短或光腐蚀严重等蔽端。通过本研 究工作表明，当CuFe₂O₄中的Fe³⁺被电负性更强的三价离子适量取代时，有利于 光催化产氢活性的提高。

利用太阳光从水中获得氢的过程是一种完全的可持续开发和利用过程，而 实现这一过程的关键是高性能光催化剂的获得。光催化制氢，是一项极具挑战 性的工作，它涉及到环境、能源以及材料3个本世纪的主题。所以，本发明在 光催化领域是创造性的工作，极具前沿性和前瞻性。掺钇铁酸铜-钴酸铜复合光 催化剂良好的可见光响应及催化产氢性能，充分预示了研究和制备高性能复合 光催化剂的可行性。

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响应、具 有尖晶石结构的掺钇铁酸铜-钴酸铜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硝酸铜、硝酸铁、硝酸钴、 硝酸钇、柠檬酸等试剂采用柠檬酸辅助溶胶-凝胶法制得掺钇铁酸铜-钴酸铜复合 光催化剂，表观上是黑色。其具体制备方法如下：

将硝酸铜配制成硝酸铜溶液，再将硝酸铁与硝酸钴溶液缓慢加入上述硝酸 铜溶液中，得CuFe_2-xCo_x(NO₃)₈溶液。随后在水浴中搅拌下将新配制的 CuFe_2-xCo_x(NO₃)₈溶液中逐滴加入0.6mol·L^-1的柠檬酸溶液中得到透明溶胶。继 续在80℃水浴中加热得到溶胶后，转入烘箱中，130℃下干燥3h得到前驱物， 最后在700～800℃下煅烧2h，得铁酸铜-钴酸铜复合光催化剂。在上述溶液中增 加硝酸钇，其余操作均相同，得掺钇铁酸铜-钴酸铜复合光催化剂。