[发明专利]钒酸铋/铬卟啉/石墨烯量子点二维复合Z型光催化材料、制备方法及应用

说明书

本发明提供一种钒酸铋/铬卟啉/石墨烯量子点二维复合Z型光催化材料、制备方法及应用。所述光催化材料以功能化的石墨烯量子点为模板复合钒酸铋纳米片，然后将具有二维平面结构的铬卟啉类配合物(CrPyCl)与BiVO₄纳米片结合，CrPyCl均匀而紧密地分布在BiVO₄纳米片表面，以GOD为电子传递物，构筑了具有Z型光催化作用机制的二维复合材料。该光催化材料中的CrPyCl可均匀而紧密的分散在BiVO₄纳米片表面，有利于光催化过程中电子的快速传递，从而可提高体系光利用效率和光催化性能，在保持光生电荷氧化还原能力的同时，提高了光生载流子的分离效率。该光催化材料具有良好的可见光驱动光催化全劈裂水产氢性能，在Z‑型机制全劈裂水催化制氢方面具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米光催化材料制备及其制氢应用技术领域，具体涉及钒酸铋/铬卟啉/石墨烯量子点二维复合Z型光催化材料、制备方法及其应用。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，也是国家经济发展的重要战略资源。目前，石油、煤炭和天然气等化石能源大量开发利用导致了人类生态环境的严重恶化，而氢能是一种储量丰富、无污染的新型能源。氢作为一种能源载体，能量密度高，可储可运，且燃烧后唯一产物是水，不污染环境。因此，氢能被认为是今后理想的替代能源。

利用太阳能制氢的可能途径有太阳能发电与电解水制氢、太阳能光电化学制氢、太阳能热化学分解水及生物质制氢、太阳能光催化分解水制氢等。其中，利用太阳能光催化分解水制氢(光催化制氢)是解决当前能源问题的最佳途径，该制氢技术主要是利用半导体光催化剂在紫外或可见光的激发下产生电子-空穴对，这些电子-空穴对具有极强的还原和氧化能力，可直接将水分解为氢气和氧气。因此，随着光催化技术的发展，有效地利用太阳光直接从水或其有关溶液中获得氢能已成为人类实现可持续发展的必然选择。

光催化制氢的广泛应用取决于光催化材料的催化效率和对太阳光的利用效率。其中，Z型光催化材料体系借助双光子激发过程，在不同光催化剂上分别完成氧化反应和还原反应可有效地促进光生电荷的分离和迁移，提高了光能利用率，因而吸引了众多研究者的注意。目前，诸多含铋元素的复合氧化物(如钨酸铋、钼酸铋、钒酸铋、卤氧化铋等)具有Z型可见光催化活性。其中，BiVO₄因优异的可见光催化活性，同时具有无毒、光化学稳定性好、太阳能利用率高等优点成为关注的焦点。然而以BiVO₄构筑的Z型光催化材料体系大多都集中在无机半导体异质结体系中，并且这类无机半导体体系的光催化活性主要集中在紫外区。因此，科研工作者们围绕着紫外光响应的半导体发展了一系列的能带和光吸收能力的调控策略来提高半导体对可见光甚至红外光的响应能力，以期构建高效、稳定、经济的可见/近红外宽光谱响应光催化材料来满足未来可持续发展的要求。从这个角度看，通过对BiVO₄ Z型体系进行修饰和改性提高其对可见光的响应能力具有重要的应用前景。其中，负载有机吸光分子是一种行之有效的拓展其可见光响应能力的策略。

作为植物光合作用过程中可见光吸收中心，卟啉在蓝光区(B-band)和红光区(Q-band)有较大的消光系数，本身具有很高的荧光性质和恰当的能带位置，这些优势使其成为拓展宽带隙半导体可见光催化效果的潜在光敏剂。此外，卟啉环容易进行邻位或间位取代，并且金属中心具有可调变性，因此可通过分子设计协调卟啉分子的物理和电化学性质构筑具有电子导向性的卟啉分子。

目前，未见有关BiVO₄/GOD/CrPyCl二维复合Z型光催化材料及其制备方法，以及其可见光驱动的全劈裂水制氢性能的报道。

发明内容