[发明专利]光催化分解水制备氢气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化分解水制备氢气的方法。

背景技术

随着经济的发展，能源短缺和环境污染问题逐渐成为人们关注的热点。化石燃料不仅储存有限，其燃烧还会产生很多有害物质，诸如硫化物氮化物等污染环境，二氧化碳会导致温室效应，使得全球变暖。氢气作为一种清洁能源，受到人们的广泛关注。光解水制氢由于利用了自然界存在的太阳能和水，产生可以代替化石燃料的新能源，成为解决能源和环境问题一箭双雕的好方法。

近年来，科学家们尝试用无机半导体，掺杂无机半导体，量子点，有机聚合物进行了光解水体系方面的研究。

然而，目前的光解水制氢的研究仍有待加强。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种成本低、效率高、可控性好、易于实施的光催化分解水制备氢气的手段。

需要说明的是，本发明是基于发明人的下列发现和工作而完成的：

现阶段，用水溶性共轭聚合物进行光催化分解水的研究并不多，利用可见光分解水就更是罕见。发明人为创造一种成本低、效率高、可控性好、易于实施的光催化分解水制备氢气的手段，经过了一系列的研究和探索，结果惊喜地发现，将共轭聚合物材料与甲基紫精通过静电相互作用相互靠近，利用共轭聚合物吸收可见光发生电子与空穴分离，电子传递给甲基紫精，甲基紫精被还原为甲基紫精自由基，在胶态铂存在的条件下，甲基紫精自由基可以在自身被氧化的同时，对水进行还原，产生氢气。并且，发明人还发现，可溶性共轭聚合物可以直接在太阳光下进行光催化分解水产氢，因而可以直接利用太阳光和水产生氢气这一清洁能源。此外，在实际的产氢体系中，还可以通过自组装方法，调控上述光解水体系的产氢性能，以便满足实际操作中对氢气的产量的实际要求。而将可溶性共轭聚合物在太阳光下直接进行光催化分解水产氢的方法，尚未见报道。

因而，在本发明的一个方面，本发明提供了一种光催化分解水制备氢气的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：

(1)将式I所示化合物、甲基紫精、乙二胺四乙酸二钠盐和胶态铂混合并加水溶解，以便获得溶液；

(2)将所述溶液进行第一鼓泡处理，以便获得经过第一鼓泡处理的溶液；以及

(3)将所述第一经过鼓泡处理的溶液进行第一光催化分解处理，并收集气体产物，即得氢气，

其中，在式I中，M⁺为金属离子。

根据本发明的实施例，利用本发明的方法能够有效地利用可见光进行光催化分解水制备氢气，且该方法成本低、效率高、可控性好、易于实施，适合广泛推广，极具应用价值，实际应用意义重大。

根据本发明的实施例，式I所示化合物、甲基紫精、乙二胺四乙酸二钠盐、胶态铂和水的摩尔比为1:100-600:1000-6000:40-200:2000000-4000000，优选1:250:2500:100:2800000。由此，产氢效果好，氢气产能高。

根据本发明的实施例，在式I中，M为钾或钠。由此，产氢效果好。

根据本发明的实施例，进一步包括调控氢气制备速率的步骤：

(4)向步骤(3)的经过第一光催化分解处理的溶液中加入葫芦[8]脲，并依次进行第二鼓泡处理和第二光催化分解处理，以便抑制氢气产出速率。

由此，能够满足实际操作中需要抑制光催化分解水产氢体系的产氢能力的要求。其中，在本文中有时也将葫芦[8]脲称为“CB[8]”。

根据本发明的实施例，进一步包括：

(5)向步骤(4)的经过第二光催化分解处理的溶液中加入盐酸金刚烷胺溶液，并依次进行第三鼓泡处理和第三光催化分解处理，以便恢复氢气产出速率。由此，能够满足实际操作中需要在抑制光催化分解水产氢体系的产氢能力后再恢复的要求。其中，在本文中有时也将盐酸金刚烷胺称为“ADA”。

根据本发明的实施例，所述第一鼓泡处理、第二鼓泡处理和第三鼓泡处理，均是通过向所述溶液中通入惰性气体鼓泡30分钟实现的。具体地，在光解水反应过程中，很关键的一步是产生甲基紫精自由基，氧气的存在会猝灭该自由基，从而不能产生氢气，而采用惰性气体能够有效将体系中的氧除去。其中，惰性气体的种类不受特别限制，只要能够满足上述的要求即可。根据本发明的一些具体示例，所述惰性气体为氩气。