[发明专利]用于光催化制氢体系的半导体催化剂及制备方法、包含该催化剂的制氢体系及制氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光催化制氢体系的半导体催化剂及制备方法、包含该催化剂的光催化制氢体系及制备氢气的方法；尤其是涉及通过碲化镉量子点与钴、镍、铁等过渡金属的盐或配合物的光化学反应原位制备得到的用于光催化制氢体系的高效半导体催化剂、包含该催化剂的光催化制氢体系及制备氢气的方法。 

背景技术

迄今为止，全球能量的主要来源还是依靠化石燃料。但是，化石燃料作为一种非再生能源不可能永远满足人类日益增长的能源需求。同时，环境污染和气候变化等使用化石燃料带来的负面效应也越来越受到人们的重视。开发利用新的环境友好型非化石能源迫在眉睫。目前，化石燃料最好的替代品就是太阳能，这是因为太阳能是一种环境友好而且可持续使用的能源。因此，太阳能的存储利用备受关注，而且在全世界范围内已经掀起了研究狂潮。但是，以目前的研究进展，用太阳能完全替代化石燃料是不实际的。因此，将太阳能这样一个无限的能源转化为非化石燃料的能源成为了科学家研究的主要方面。例如直接把太阳能转化为化学能，特别是氢能(Nature.2001，414，625；Int.J.HydrogenEnergy.2007，32，2673.)，是目前科学家研究的主要突破口也是接下来几十年科学家所要面对的主要挑战。最终，有效地光解水将会成为主要研究目标。这是因为，水是一种大量、便宜而且可持续利用的物质，而且，水也是氢能消耗后的唯一产物。 

自从上世纪七十年代Honda和Fujishima利用二氧化钛作为光催化剂并在紫外光照射下完成了光解水后(Nature.1972，238，37-38.)，半导体材料光解水被广泛的研究。越来越多的可见光驱动半导体光解水体系被报道。然而，如何找到一种能在可见光范围内高效、稳定完成光解水的半导体催化剂仍是科学家面临的挑战(J.Phys.Chem.C 2007，111，7851.)。 

为了提高半导体光解水催化剂的性能，早在上世纪八十年代Reber和Rusek就报道了利用在半导体内掺杂其它过渡金属元素以修改半导体本身能隙的方法提高催化剂的催化活性(J.Phys.Chem.1986，90，824.)。后来，人们发现除了能级结构，半导体材料的晶型、结晶度、形貌、颗粒大小、表面性质等因素也影响着半导体催化剂的催化活性。一般来说，高的结晶度有利于光生电子和空穴的分离，但是高的结晶度一般需要高温煅烧(J.Phys.Chem.B 2004，108，8992-8995)，高温煅烧会导致半导体催化剂体积过大，直径一般会大于几百纳米，这样又增加了半导体内电子、空穴向表面迁移的距离，降低了催化活性。 

随着研究的深入，人们发现有特殊结构(空腔、介孔、膜等)的半导体材料有利于电子/空穴分离，有较大的表面积易于催化剂与反应物接触，改良了催化剂的吸收光谱等，使催化剂能够更有效吸收可见光、完成电子/空穴分离、不需要负载Pt、Pd等贵金属共催化剂(Angew.Chem.Iht.Ed.2005，44，5299-5303；Chem.Mater.2008，20，1997-2000；Chem.Mater.2010，22，2582-2587)。 

但到目前为止，还没有任何专利和文献报道在无需模板和煅烧等苛刻条件下，利用光化学方法自组装生成空腔结构形貌的高效、稳定、廉价、合成简单的半导体催化光解水制氢催化剂的方法。 

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种用于光催化制氢体系的半导体催化剂。该半导体催化剂是通过碲化镉量子点与钴、镍、铁等过渡金属的盐或配合物的光化学反应原位制备得到的用于光催化制氢体系的高效半导体催化剂；该催化剂的空腔结构无需模板、也不需要铂、铑等贵金属材料和煅烧等苛刻条件就能制备而成；而且，该半导体催化剂可以重复使用。 

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种用于光催化制氢体系的半导体催化剂的制备方法。该制备方法高效、稳定且廉价。 

本发明要解决的第三个技术问题是提供一种包含有半导体催化剂的光催化制氢体系。 

本发明要解决的第四个技术问题是提供一种利用半导体催化剂光催化制备氢气的方法。该方法利用光化学方法自组装生成空腔结构形貌的高效、稳定、廉价、合成简单的半导体催化光解水制氢。 

为解决上述第一个技术问题，本发明一种用于光催化制氢体系的半导体催化剂，包括下述原料： 

碲化镉量子点，和 

钴、镍或铁的盐或配合物。 

进一步地，所述碲化镉量子点颗粒平均粒径尺寸为2-7nm。