[发明专利]基于金属氧化物光催化剂的太阳光催化水产氢产氧的方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种单一金属氧化物作为活性材料，可用于光催化直接分解水产氢产氧的技术。该技术制备过程简单、活性和稳定性高且催化剂无毒绿色，可实现紫外光下利用太阳能将水分解为氢气这一清洁燃料，该催化剂有望作为高原，外太空航天器和登月计划的能源供给技术。

背景技术

氢气作为一种清洁能源，具有高燃烧值、零污染排放等优点，同时也是一种常用的工业原料，广泛应用于合成氨、石油加氢裂解、冶金工业。目前，以不可再生的化石资源为原料是氢气生产的主要途径。而化石能源的使用带来了日趋严重的能源危机以及环境问题。因此，发展可再生能源制氢技术是解决能源、环境问题的根本出路。

光催化分解水制氢因其清洁可再生性被誉为是未来最理想的制氢途径。具体的过程可用如下方程式表示：

H₂O+photocatalyst→H₂+O₂

目前能够实现全分解水的催化剂仍然很少，分可见光响应的催化剂和紫外光响应的催化剂体系。

可见光下能够实现水分解的催化剂体系中比较有代表性的是日本Domen小组开发的GaN:ZnO催化剂，在担载Rh/Cr₂O₃核/壳结构的助催化剂后在420nm处的表观量子效率可达5.9%，为目前可见光下量子效率最高的催化剂（Nature,2006,440,295；J.Phys.Chem.B,2006,110,13107；J.Catal.,2006,243,303；J.Phys.Chem.C,2007,111,7554；ChemSusChem,2009,2,336）。但是该催化剂仍存在许多缺点制约其应用。首先，其催化剂为氮氧化物，随反应进行催化剂中的氮会以氮气的方式释放出来，稳定性低是一个很大的制约因素，；其次，该催化剂需担载Rh/Cr₂O₃核/壳结构的助催化剂才能实现分解水，助催化剂担载方式复杂，且很容易受实验条件影响。Zou等人报道了一种多元金属氧化物In_1-xNi_xTaO₄(x=0–0.2)也能实现可见光条件下纯水的分解（Nature,2001,414,625）。该催化剂的不足之处是催化剂稳定性低且活性不高，且由于催化活性与多元组分比例密切相关，对材料制备条件要求很高。

紫外光下分解水的催化剂体系中活性最高的是日本Kudo研究组开发的NiO/La:NaTaO₃体系，该催化剂体系在270nm处表观量子效率可达56%。制约该催化剂应用的因素有以下几方面：该材料的吸收带边在300nm,而太阳光谱中300nm以下部分的光所占的比例极少；该催化剂需在稀土金属La的掺杂下才可以实现分解水，催化剂成本较高。（Chem.Phys.Lett.,2000,331,373；J.Am.Chem.Soc.,2003,125,3082）。除此之外，一些多元金属钽酸盐也可实现紫外光下分解水产氢产氧，如SrTa₂O₆,BaTa₂O₆,H₂La_2/3Ta₂O₇，H_1.8Sr_0.81Bi_0.19Ta₂O₇等（Chem.Soc.Rev.,2009,38,253）。但此类材料结构较为复杂，制备条件相对苛刻，且吸收带边均在300nm左右，太阳光谱的利用率低。