[发明专利]一种红光催化分解水产氢体系及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种红光催化分解水产氢体系及其制备方法和应用；本发明首次将聚苯乙烯微球作为载体，用于构建水相三重态‑三重态湮灭上转体系，聚苯乙烯微球能显著增加上转换发光体系中光敏剂和受体分子的含量，有助于上转换效率的进一步提高。将水相上转换发光体系与光催化产氢体系相结合，构建红光光催化产氢体系，使得原本不能被产氢体系利用的红光通过上转换发光体系转换成蓝光，随后被半导体量子点催化剂吸收，实现了红光光能转换为氢能的能源转换过程。本发明构筑过程简单，易于大量制备，且具有很好的红光催化产氢活性。

技术领域

本发明属于能源科学和催化科学领域，涉及一种红光催化分解水产氢体系及其制备方法和应用。

背景技术

寻找高效的光催化分解水产氢催化剂可以同时解决能源短缺和环境污染问题，一直是能源研究领域的热点。TiO₂是最早被发现具有光催化产氢活性的半导体材料，但这类材料带隙很宽(3.0eV)，只能吸收紫外光区的能量，对可见光没有吸收，限制了其在光催化产氢领域中的应用。因此，拓展半导体催化剂的吸收范围就成为了提升光催化产氢体系光能利用效率的前提。为了解决这一问题，近年来发展出了很多新的技术和方法，用以拓展吸收范围，比如金属/非金属掺杂，有机染料敏化等。近年来科学家们又开发了一项可用来拓展光谱利用范围的新技术，即三重态-三重态湮灭上转换技术。

三重态-三重态湮灭上转换的光物理过程为：三重态光敏剂受光激发到达单重激发态，处于单重激发态的光敏剂通过系间穿越到达三重态，三重态光敏剂将能量传递给受体分子，受体分子可以接收来自三重态光敏剂的能量，到达三重态，两个三重态受体分子相互碰撞，会有一定几率产生一个单重激发态的受体分子和一个基态的受体分子，产生的单重激发态受体分子可以发出荧光，实现光子上转换发光。

将三重态-三重态湮灭上转换技术与半导体光催化产氢体系相结合，可以在不改变半导体带隙的条件下拓展催化产氢体系的吸光范围，提高长波长光能的利用率，具有突出的技术优势和产业价值。目前，三重态-三重态湮灭上转换与光催化产氢体系结合存在一个技术难点：三重态-三重态湮灭上转换所使用的光敏剂和受体基本都是有机物，在水中不溶解，而光催化产氢体系却要在水中建立，有必要将两个体系有机结合，实现高效率的上转换光催化产氢。现有技术中使用胶束在水中构建上转换产氢体系，然而胶束的制备工艺复杂，且增溶能力有限，加入的光敏剂和受体分子不能过多，否则会导致这些有机分子沉淀析出，限制了上转换产氢体系效率进一步提升的空间，因此寻找更适合的方法增加体系中光敏剂和受体的含量，是亟待解决的技术问题。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种红光催化分解水产氢体系及其制备方法和应用。该体系可以容纳更多的光敏剂和受体，并吸收长波长光能(波长范围在600-650nm之间)，通过三重态-三重态湮灭上转换过程，将低能量的光子转化为高能量的光子，经过上转换的光子能量被半导体量子点催化剂吸收后，催化质子生成氢气。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种红光催化分解水产氢体系，所述红光催化分解水产氢体系包括上转换发光体系和催化产氢体系，所述上转换发光体系包括聚苯乙烯微球，光敏剂和受体分子；所述催化产氢体系包括半导体量子点催化剂和牺牲剂。

根据本发明，所述上转换发光体系为溶有光敏剂和受体分子的有机溶液溶胀的聚苯乙烯微球。优选的，所述有机溶液的溶剂为甲苯。