[发明专利]一种光催化产氢催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种光催化产氢催化剂及其制备方法和用途，该催化剂以HKUST‑1为前驱体，依次在氩气和空气氛围下通过热分解对样品进行快速处理，即得；制备方法为：首先制备HKUST‑1；再将制备的HKUST‑1先在氩气氛围加热至300‑500℃，再保持温度在空气氛围中加热反应0.5‑2小时；该光催化产氢催化剂用于分解水产氢的方法是首先将光催化剂分散于水和牺牲试剂的混合溶液中，除去反应体系中的空气，可见光下反应4‑8小时，其中可见光波长范围为420‑700 nm。本申请提供的光催化产氢催化剂在常温常压可见光条件下就可以产生氢气，具有催化活性高，产氢稳定性好的特点；且催化剂原料来源广泛，价格低廉，制备方法简单，适于规模化生产。

技术领域

本发明属于光催化剂制备领域，具体涉及一种光催化产氢催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

随着全球石化资源的持续消耗，源源不断排放的CO₂、SO_x及NO_x等有毒有害气体给全球生态环境造成了严重影响，温室效应、酸雨等极端气候的形式严峻，长此以往将严重危害人类的生存；此外，由于石油、煤炭等资源的不可再生性，全球能源储备总量正在逐年减少，石油等重要战略性资源正面临枯竭。因此，为了改善全球生态环境问题，应对未来发展对能源储备的强烈需求，寻找新型的清洁替代能源势在必行。氢气，作为一种清洁能源，具有热值高(1.4×10⁸J/Kg，是石油热值的3倍)，无污染(燃烧产物是水)，分布广泛(氢元素以水的主要形式覆盖地球表面)，密度小易于转移携带等多种优点，是未来应对环境及能源危机的最佳解决方案。虽然地球上氢的资源储备巨大，然而以单质的形式存在的可利用H₂资源却十分有限，如何将储备巨大的海水资源通过合适的手段转化为可直接利用的H₂，这是成功解决全球能源危机所要面对的首要问题。

依据能量守恒定律，氢气燃烧放出大量的热，其逆反应必定是需要吸收能量，而太阳能作为近乎取之不尽的清洁能源，其深层次开发利用也引起了广泛关注。光催化技术，利用太阳光的光子激发半导体材料实现电子和空穴的分离，然后依据氧化还原电位的不同发生电子或空穴与特定分子的还原/氧化反应，实现基于光的催化转化反应。近年来，利用太阳光开展光解水制氢的研究引起了世界各国的广泛关注，而光解水技术的根本在于寻找一种合适的催化剂。现阶段，科学家开发出了一系列基于各类金属氧化物、氮化物及硫化物的新型半导体材料，表现出了一定的光解水效果，然而其内在的缺点例如稳定性差、成本高、工艺复杂等也限制了其用途。为实现光解水技术的全面及实际应用，理想催化剂应当满足以下要求：1)具有高效的光解水效率及稳定性；2)制备工艺简单廉价。现阶段报道的催化剂往往制备工艺十分复杂繁琐，难以大规模利用，同时还需要Pt等贵金属辅助，极大限制了其应用前景。

铜元素在地壳中具有丰沛储量，其一价氧化物Cu₂O是一种天然p型半导体，禁带宽度仅2eV，能够吸收绝大范围的可见光，理论光电转换效率18％，制备简单，无毒无害，是一种理想的光催化材料。然而Cu₂O的载流子较易复合，而且光稳定性较差，易发生光腐蚀问题，因此通过简单有效方法修饰改性Cu₂O，全面提升其稳定性及载流子分离效率，是实现其实际应用的必要手段。

金属有机框架(MOFs)材料是过去二十年内一类新兴的有机无机杂化材料，其周期性的晶态结构，可系统调换的功能单元以及复杂多变的应用潜力使得MOFs材料在催化、光电、仿生及能源等多个领域展现出令人期待的应用前景。Cu元素易于形成八面体配位构型，可以和各类含O、N及P等元素的配体形成结构新颖的MOFs材料。由于MOFs材料中的金属及有机单元部分可以通过精心设计实现特殊构型的排布，达到常规材料合成技术难以实现的理想效果，因此以MOFs材料为前驱体，通过热裂解、化学刻蚀等手段将MOFs的结构进行传递转化，制备具有特殊功能的新型复合材料，是现代材料科学领域一种新兴的热门技术，表现出了巨大的应用潜力。

发明内容