[发明专利]一种响应可见光的光解水制氢催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种响应可见光的光解水制氢催化剂及其制备方法，属于光催化剂技术领域。

背景技术

光催化是一种新兴的环境净化和能源转换技术。在环境净化方面，光催化剂可有效地降解吸附在其表面上的有害气体分子、杀灭细菌、抑制病毒，将有害有机物、细菌等转化为水和二氧化碳等无害物质，且没有任何二次污染。在能源转化方面，利用光催化技术可以将光能转化为化学能，比较常见的是光解水制氢技术，将太阳能直接转换为氢能。随着光催化技术的发展，有望利用太阳光，直接从各种水体中获得最为清洁的能源—氢能，解决今后的全球能源和环境问题。光催化技术的广泛和有效利用，取决于光催化反应的效率。早期研发的光解水催化剂均是对紫外光部分具有较好的响应，近期研发的硫化镉系催化材料是对可见光具有响应的典型代表催化体系。硫化镉能强烈吸收可见光，形成具有极强的还原和氧化能力的自由电子和电子空穴，当产生的自由电子和空穴迁移到达粒子的表面，水化合产生·OH等各种游离基，最终将水直接分解成氢气和氧气。因此，改善光催化剂性能是提高光催化效率的关键。可以通过以下几个途径提高光催化剂的活性：（1）光催化材料纳米化和提高比表面积；（2）提高结晶度，降低晶格缺陷；（3）调变禁带结构，提高对可见光的吸收和利用；（4）利用负载助剂促进电子转移和提供表面活性位以及形成异质结。在以上方法中，途径（3）和（4）技术空间最大和应用前景最为广泛，同时（4）中技术相对简单而提高效率明显，又能在一定程度上提升稳定性，因此近几年来倍受人们重视和研究。

1972年日本科学家Fujishima和Honda等用TiO₂单晶电极实现了光催化分解水制氢，从而将太阳能直接转化为氢能，实现人工光合作用，为解决全球的能源问题提供了极好的技术途径。近几十年来，围绕如何制备廉价、高活性的光催化材料各国科技工作者做了大量研究，以TiO₂和CdS为代表的大量高活性的光催化剂被报道。针对响应可见光的CdS催化体系，国内已有专利技术公开。西安交通大学专利CN1803278发明了一种钽钛酸硫化镉载铂层状复合催化剂的制备方法，最高产氢速率144umol/h，在420nm处的量子效率为6.3％，对可见光全波段区域的光能转换效率为1.67％，所得催化剂稳定性较好，但该催化剂制备方法上步骤繁琐，原料复杂，制备周期较长，且催化剂光能转化效率较低，因此，实现规模化生产的可能性有限。中国科学院理化技术研究所的专利CN102266787A公开一种新型不含贵金属光解水制氢催化剂的制备方法，该技术是利用石墨烯作为助催化剂，制备CdS-石墨烯复合材料。石墨烯材料具有良好的电子聚集和传输功能，促进了电子空穴的有效分离，减少了质子复合的几率，增加了光催化剂的光催化效率和光分解水制氢效率。而且石墨烯材料制备方法简单，比贵金属成本低廉、且对环境没有污染，利于大规模制备生产。但其不足之处在于石墨烯本身尚难以大规模制取，价格高昂，品质难以保证，同时，其可见光催化效率和光分解水制氢效率有待进一步研究提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种响应可见光的光解水制氢催化剂及其制备方法，本发明提供的催化剂具有较强的可见光吸收能力，能有效吸收高达540nm左右的可见光，能在可见光下表现出高效的光解水制氢活性。

本发明所提供的一种响应可见光的光解水制氢催化剂，由CdS和负载在CdS上的助剂组成；

所述助剂为NiS与PdS、Ru₂S₃、Rh₂S₃和Ag₂S中任一种的混合物。

上述的光解水制氢催化剂中，所述NiS的质量百分含量（即负载量）可为0.22~5.5%，如1%~3.5%、1%、1.5%或3.5%；所述PdS、Ru₂S₃、Rh₂S₃和Ag₂S中任一种的质量百分含量（即负载量）可为0.1~3.0%，如PdS的含量可为0.4%、Ru₂S₃的含量可为0.38%、Rh₂S₃的含量可为0.31%和Ag₂S的含量可为0.16%。

本发明所提供的上述光解水制氢催化剂的制备方法，包括如下步骤：将所述CdS加入至含S化合物的水溶液中，在搅拌的条件下，再继续加入含Ni化合物和含Pd、Ru、Rh和Ag中任一种的化合物，经搅拌即得所述光解水制氢催化剂，该方法即为沉积法。