[发明专利]一种复合型压电催化剂及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种复合型压电催化剂及其制备和在声催化裂解水制氢中的应用。其是利用氧化锌表面的氧空位缺陷，在氧化锌纳米棒表面将金离子原位还原形成金单质，从而制得ZnO‑Au复合型压电催化剂；其中，取向特殊的氧化锌纳米棒能通过压电效应富集环境中的声波能量而表面产生正负电荷，从而驱动纯水分解，产生氢气，且在负载金单质之后，ZnO‑Au复合型压电催化剂的产氢性能大幅度提升，其在超声波驱动下的产氢速率是无负载氧化锌纳米棒的4倍，打破了单一压电材料作为声催化剂的局限性，实现了声能的高效利用，为利用压电效应裂解水制氢提供了一种新的途径，在机械能‑氢能转化领域有广阔的应用前景，且其制备方法简单，适合工业化生产。

技术领域

本发明催化材料技术领域，具体涉及一种复合型压电催化剂及其制备和在声催化裂解水制氢中的应用。

背景技术

人口的急剧膨胀、经济的飞速发展、化石能源的过度开采和消耗，造成了能源短缺这一世界性难题。目前，全球多个国家针对能源短缺问题制定了相应的政策，以此来促进社会经济的可持续发展。氢能作为一种清洁无污染的可再生能源，对于工业生产与国民经济的发展尤为重要。

利用自然界中分布丰富的可再生能源在能源转换材料的辅助下直接驱动裂解水反应，能够将低密度的能量转化成高密度的氢能，有望为社会经济的可持续发展做出革命性贡献。例如光催化制氢，众多的半导体光催化材料在模拟太阳光的照射下能够将水还原成氢气，缓解日益紧张的能源危机。但是这种技术在实际应用中受到很大程度的限制，这是因为太阳光的照射受天气和白昼限制，光催化反应无法持续进行。同时，催化剂在太阳光激发下产生的光生电子和空穴不具备很强的氧化还原能力，且产氢反应的发生大都依赖于牺牲剂将空穴消耗。相比之下，声催化制氢技术不受这些因素的限制，不需要借助于牺牲剂参与，就能在声波的驱动下完成裂解水反应，继而产生氢气。这种特殊的能量转化技术不仅能够富集自然界中的机械振动，如消除城市噪声，还能为氢气的制备提供一种洁净的渠道，拓宽制氢技术的实际应用。

压电晶体是一种不存在对称中心的异极材料，被广泛应用于电声换能器、压力传感器、压电驱动器等众多领域。当压电材料受到应力作用时，加在晶体上的外力不仅可以使材料发生形变，而且可以改变晶体的极化状态，在材料表面产生电势，继而驱动纯水裂解产生氢气。目前关于国内外报道的利用催化剂的压电效应将纯水裂解并产生氢气的研究较少，仅涉及六方晶系ZnO纤维状微晶、四方晶系BaTiO₃树突状微晶（J . Phys . Chem . Lett. 2010 , 1 , 997–1002），其所用声驱动产氢催化剂是一种单一的压电半导体，其产氢效率尚有待提高，不能满足机械能-氢能转换技术的发展需要。

发明内容

为了克服单一压电材料效率低下的局限性，满足声驱动制氢技术的发展需要，本发明提供了一种复合型压电催化剂及其制备和在声催化裂解水制氢中的应用。所制得的ZnO-Au复合型压电催化剂能够将机械能转变成化学能，并在声波作用的驱动下高效裂解纯水制取氢气。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合型压电催化剂，其是利用氧化锌表面的氧空位缺陷，在氧化锌纳米棒表面将金离子原位还原形成金单质，从而制得ZnO-Au复合型压电催化剂；其中，金单质的负载量为20mol%。

所述氧化锌纳米棒是一种具有棒状形貌且具有优良压电性质的半导体，其长度为0.5~1 mm，直径为20~30 nm，属于非中心对称的六方纤锌矿晶型。

所述复合型压电催化剂的制备方法，是以L-天门冬氨酸锌为锌源，氢氧化钾为碱源，正丙醇为反应溶剂，通过醇热法制得所述氧化锌纳米棒，然后在氧化锌纳米棒表面原位还原形成金单质，制得所述ZnO-Au复合型压电催化剂；其具体包括以下步骤：

1）按摩尔比1:5 ~ 1:15分别称取L-天门冬氨酸锌和氢氧化钾，将其分别溶于正丙醇中，常温搅拌制得两种反应物的醇溶液；