[发明专利]一种光催化重整生物质及其衍生物制氢的半导体光催化剂及制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂及其制备方法与应用，尤其是涉及一种用于光催化重整生物质及其衍生物制氢的半导体光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

能源是当今社会赖以生存和发展的基础，也是制约国民经济发展和衡量综合国力的指标，对国家安全的作用举足轻重，始终是世界各国优先发展的战略领域。目前，传统化石能源如煤炭、石油和天然气的利用效率低、环境污染严重以及逐渐匮乏将不能适应未来社会高效、清洁、经济、安全能源体系的要求。因此，能源发展正面临巨大的挑战和压力。同时，人类对全球性环境问题如气候变化和环境污染的关注使得未来能源生产与利用更加注重环境和生态效应。所以发展可再生能源将成为下个世纪的重要议题之一。

氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水或生物质制取，而水和生物质是地球上最为丰富的资源，演义了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。随着技术的不断发展，氢能的应用范围必将不断扩大，大力开发氢能具有重大意义。

目前，化石燃料制氢是工业上的主要途径，除了化石燃料制氢外，还有电解水制氢。虽以化石资源制氢的现有工艺技术成熟，生产成本也较低，但资源有限且不可再生。从长远观点看，这不符合可持续发展的需要。如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、太阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决。世界各国十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并已取得了多方面的进展。其中利用生物质制氢，作为解决能源问题的有效途径之一，近年来尤其引起世界各国研究人员的广泛关注。

生物质是地球上最广泛存在的物质，它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。各种生物质都具有一定能量。以生物质为载体、由生物质产生的能量便是生物质能。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，直接或间接来源于植物的光合作用。地球上植物进行光合作用所消费的能量，仅占太阳照射到地球总辐射量的0.2％，这个比例虽不大，但绝对值很惊人：光合作用的能量是目前人类能源消费总量的40倍。可见生物质能是一个巨大的能源。然而，尽管生物质遍布世界各地，其蕴藏量也极大，但生物质能具有能量密度低和资源分散的明显缺点。氢是高能量密度、高效率、清洁的优质能源。氢气既可以运输，又可以长期储存，而且液化氢的密度高于天然气。因此，将大量分散的生物质转化为氢气，再将氢气进行集中储存和运输，要比生物质集中储存和运输来得容易，这也是生物质能储存和集中的一种重要途径。更重要的是光催化重整生物质制氢技术可以在常温常压下进行，利用太阳光作为反应的推动力，是一种清洁的、可持续发展的制氢技术。其能量转换的实质是将取之不尽、用之不竭的太阳能转换为人类所需的能量，不仅具有可再生性，而且具有环境友好的优点。

我国生物质资源丰富，同时也是太阳能资源丰富的国家之一。每年陆地接收的太阳辐射能相当于2.4×10⁴亿吨煤，而我国年消耗的能源总量却不足太阳能年辐射量的0.1％。因此在我国研制高效、低成本的太阳能制氢技术对于改善边远地区能源结构，保护我国的生态环境，推动经济及社会的可持续发展都具有重大和深远的战略意义。

日本科学家Kawai等人[Chem.Lett.1981，81-84；Nature.1980，286，474-476]早在上世纪八十年代就利用Pt/RuO₂/TiO₂催化剂，在水中光催化重整生物质及其衍生物制得氢气。随后又有大量文献报道了利用各种生物质及其衍生物制氢的方法[J.Phys.Chem.1983，87，801-805；J.Am.Chem.Soc.1985，107，1773-1774；Chem.Phys.Lett.1981，80，341-344；Photochem.Reviews 2003，4，5-18；Catal.Lett.2004，98，61；Chem.Chmman.2004，2192-2193]，例如：甲醇、乙醇、乳酸、甘氨酸、谷氨酸、脯氨酸，食糖、可溶性淀粉、自明胶蛋白质、海藻、蟑螂尸体、人类尿液、动物粪、撕碎的滤纸(主要成分是纤维素)等。