[发明专利]一种钙钛矿结构氮氧化合物光催化分解水阳极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料化学领域及材料制备与应用领域，具体涉及钙钛矿结构钙铌氧 氮四元化合物作为一种高效的半导体光催化材料在可见光驱动下分解水产氢产氧。

背景技术

能源危机和环境污染是当今世界所有国家都面临的有关人类生存与发展的最大 的两个问题。而现代社会对能源的极大需求导致化石能源急剧消耗，由于化石燃料 本身的不可持续性，以及化石燃料燃烧导致温室气体与污染物的大量排放会引起严 峻的生态与环境问题，因此，化石能源的过度使用不可避免地使得上述两大问题变 得越来越严重。所以，开发清洁无污染的可再生能源以消除现代社会对化石能源的 依赖是保持人类经济社会可持续发展的必由之路。围绕着新能源的研究开发，各国 政府和科学家从不同的领域进行探索。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源， 但是太阳能存在着能量密度低、分散、不易存储等问题。氢能具有清洁、无污染且 氢燃烧的唯一产物是水，氢气本身无臭无毒不会污染环境，因而被认为是一种最有 前景的能量载体。自从1972年Fujishima和Honda发现TiO₂光电催化分解水制氢以 来，通过太阳能驱动分解水而获得最清洁能源—氢气这种途径引起了全世界科学家 的高度关注。光电化学水分解电池能够利用太阳光和半导体直接分解水，从而低成 本、大量生产氢气(FujishimaA.,HondaK.Electrochemicalphotolysisofwaterata semiconductorelectrode.Nature,1972,238(5358),37.)。

光电化学水分解电池由吸收太阳光的半导体薄膜、对电极和电解液组成，性能 主要取决于吸收太阳光的半导体薄膜。据美国能源部推算，要实现太阳能分解水制 氢的大规模利用，光电化学水分解电池的太阳能转换氢能效率必须高于10％(BardA. J.,FoxM.A.Artificialphotosynthesis:solarsplittingofwatertohydrogenandoxygen. AccountsChem.Res.,1995,28(3),141.)。因此，光电化学分解水制氢迈向实用化的关 键在于开发出高效的吸收太阳光并分解水的半导体薄膜。

基于半导体薄膜的催化剂分解水主要有三个步骤：1、半导体光催化剂吸收光， 产生电子空穴对；2、电子和空穴分离并且转移到催化剂表面；3、光生载流子在催 化剂的表面完成相关的氧化还原反应(Yangetal.,Acc.Chem.Res.,2012,46, 1900-1909)。过去几年，世界各国科学家对基于半导体薄膜的光电化学电池的研究 取得了许多突破性进展，探索了BiVO₄，Ta₃N₅，多元氮氧化合物和多元金属氧化物等 一系列有前景的半导体催化剂材料，同时也对如何提高光电化学电池分解水的性能 总结出了五大方法：1、通过掺杂来提高宽带隙半导体的可见光响应或者促进窄带隙 半导体的载流子传输；2、通过表面处理来去除偏析相和表面态；3、使用电催化剂 来减小过电势；4、通过形态控制来增强可见光吸收和减小少数载流子的迁移距离； 5、其余比如敏化、钝化、异质结和添加助催化剂等方法来减小光生载流子的复合几 率(LiZ.,LuoW.,ZhangM.,FengJ.,ZouZ.Photoelectrochemicalcellsforsolar hydrogenproduction:currentstateofpromisingphotoelectrodes,methlodstoimprove theirproperties,andoutlook.EnergyEnviron.Sci.,2013,6(2),347.)。

在目前的研究中，对半导体光催化材料更多的是侧重一方面的提升与改善，如 提高可见光响应、提高光催化效率、提高光催化反应速度和提高催化剂的稳定性等 等。且改善的工艺多较为复杂，不适用于大规模生产。本发明以寻找新的钙钛矿结 构四元氮氧化合物为目标，较简便的方法合成为手段，利用成熟工艺合成钙铌氧氮 四元化合物。将所制备的CaNbO₂N光阳极材料应用于三电极系统进行光催化性能测试 时，表现出了良好的光催化活性。

发明内容