[发明专利]一种新型Z型结构的可见光光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种新型Z型结构的光催化剂及其制备方法和应用。在本发明中，所述的新型Z型结构的光催化剂是：Er³⁺:YAlO₃@Ta₂O₅‑V⁵⁺||Fe³⁺‑TiO₂/Au。制备方法包括如下步骤：将Er³⁺:YAlO₃@Fe³⁺‑TiO₂/Au和Er³⁺:YAlO₃@Ta₂O₅‑V⁵⁺纳米粉末加入到无水乙醇中，超声分散30‑40min；将所得悬浮液于60‑65℃下，恒温加热30‑40min；所得产物干燥，研磨，于500‑600℃煅烧2‑3h，冷却，得到目标产物。实验结果表明其光催化反应活性显著提高，可广泛应用于太阳光光催化分解水制氢领域。

技术领域

本发明属于光催化水解制氢领域，尤其涉及一种新型Z型结构的光催化剂Er³⁺:YAlO₃@Ta₂O₅-V⁵⁺||Fe³⁺-TiO₂/Au的制备方法及在光催化水解制氢中的应用。

背景技术

随着全球工业和经济的迅猛发展，能源成为人类生产活动和社会经济发展的重要基础。现如今，严峻的能源短缺问题和过度依赖化石燃料所造成的环境污染问题已经严重的影响了人类的正常生活。许多科学家已经在积极推进研究绿色的、可持续的并且环境友好型的能源来缓解上述全球问题。由于核能异常危险，风能和水电的前期投入太多，效益也不好，这极大的限制了它们的应用，目前这三种能源形式在世界能源消费结构中只占一小部分，远远不能改善全球能源与环境污染日趋严重的现状。氢能是迄今为止最具代表性的绿色、低碳、环保能源，即使是在层出不穷的新型能源领域，氢能也绝对可以算作其中的佼佼者。氢能是一种理想的能源，具有能量密度高、可储存、可运输、无污染等优点。所以，把太阳能转化为氢能，也为太阳能利用中各种困难问题的解决提供了理想的途径。然而传统氢能的生产还主要是依靠煤、天然气的重整来获得，这必然会加剧非可再生能源的消耗，并且带来环境污染问题。因此，以水、生物质等可再生物资为原料，利用太阳光分解水制氢则是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径之一。

众所周知，水不会在太阳光正常照射时发生分解，产生氢气和氧气，因此需要寻找一种合适的光催化剂。理想的光催化制氢所需要的催化剂必须具备稳定性、耐腐蚀、光响应范围广和带宽合适等特点。在众多光催化剂中TiO₂以其耐腐蚀性、无毒性和价格低廉的特点成为最有吸引力的光催化剂之一。但对于TiO₂作为光催化剂本身也有其不可克服的缺点和不足。由于它们的禁带宽度(Eg＝3.20eV)较宽，因此只能吸收紫外光(λ＝387nm)而被激发。遗憾的是在太阳光中，紫外光的成分相当低，只占4.0-5.0％左右，而占大部分的红外光(45％)和可见光(50％)则不能被利用，导致太阳能的利用率极低，从而不能得到较高的光利用率。Ta₂O₅是继TiO₂之后的另一个卓越的半导体催化剂，因其具有良好稳定性最开始在电子领域中被广泛研究。近年来，除被用来做介电材料和光学中的抗反射材料、光电设备之外，它作为光催化材料也越来越成为研究热点。与TiO₂相似，Ta₂O₅也具有较宽的禁带宽度(Eg＝3.9eV)，并且它满足与TiO₂复合用于光催化分解水制氢的催化剂的条件。这个特点使得Ta₂O₅具有了光催化分解水的动力，更为其成为一个具有前景的光催化分解水制氢材料提供了可能。但是Ta₂O₅与TiO₂复合形成的催化剂在光的照射下，光生电子和空穴容易复合。因此，发明一种具有可见光高光催化活性的光催化剂变得尤为重要。

发明内容