[发明专利]一种光催化能源转化材料及其制备方法与应用

说明书

一种光催化能源转化材料及其制备方法与应用，该光催化能源转化材料包括碳化硅纳米片，所述碳化硅纳米片表面负载有碳包铁纳米颗粒助催化剂，所述碳包铁纳米颗粒助催化剂具有核壳纳米结构，其内部是铁纳米颗粒，周围包覆有类石墨烯结构的碳层。本发明还包括所述光催化能源转化材料的制备方法及其在光催化二氧化碳还原和光解水制氢中的应用。本发明光催化能源转化材料所含碳包铁纳米颗粒具有优异的助催化效果，可以作为廉价且高效的光催化助催化剂替代贵金属铂使用；所述光催化能源转化材料还原二氧化碳的转化效率和分解水产氢的效率较高，且均优于现有铂纳米颗粒/碳化硅纳米片。

技术领域

本发明涉及一种光催化材料及其制备与应用，具体涉及一种负载有碳包铁纳米颗粒助催化剂的光催化能源转化材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着能源与环境问题不断凸显，开发绿色可再生能源代替不可再生的化石燃料在全球范围内引起广泛关注。在此方面，光催化能源转化技术颇具应用前景。其基本原理是：光催化材料吸收光能产生自由电子与空穴，而后利用光生电子的还原性分解水生成氢气、或还原二氧化碳生成碳氢氧化合物，从而将光能以化学能的形式储存。然而，光生电子与空穴极易在半导体内部或表面发生复合而失效，严重制约了能量转化效率。将半导体与合适的助催化剂结合是提高能量转化效率效率的一种有效策略。这是因为半导体激发产生的光生电子能够快速转移至助催化剂，并与光生空穴形成空间隔离，有效抑制了复合，提高了参与能量转化反应的电子数目。

贵金属铂是最常用的一种光催化助催化剂。但是，铂的储量稀少、成本高昂，不利于光催化材料的规模化应用。此外，半导体材料与铂助催化剂之间组成的肖特基异质结阻碍了部分光生电子的转移，因而其能量转化效率尚有提升空间。因此，开发可以取代铂的廉价且更加高效的助催化剂，对于推动光催化能源转化技术的实际应用具有十分重要的意义。在此方面，国内已有相关公开专利。例如， CN107159176A公开了一种基于镍纳米颗粒助催化剂的光催化体系的构建方法，为降低光催化产氢成本提供了一种方案。但是，该方法中镍纳米颗粒是以裸露的金属单质形式存在，可能发生氧化而影响性能；此外，该方法中，镍纳米颗粒是与半导体材料混合在溶液中使用，不能保证二者之间充分的接触，也并未证明镍纳米颗粒的助催化产氢效果是否优于铂纳米颗粒。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种价格低廉及高效的光催化能源转化材料。

本发明要解决的第二技术问题是，提供一种所述光催化能源转化材料的制备方法。

本发明要解决的第三技术问题是，提供一种所述光催化能源转化材料在光催化二氧化碳还原和光解水制氢中的应用。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种光催化能源转化材料，包括碳化硅纳米片，其特征在于，所述碳化硅纳米片表面负载有碳包铁纳米颗粒助催化剂，所述碳包铁纳米颗粒助催化剂具有核壳纳米结构，其内部是铁纳米颗粒，周围包覆有类石墨烯结构的碳层。

进一步，所述铁纳米颗粒的周围包覆的所述碳层的层数为3~10层；整体尺寸为20~40nm。

本发明解决其第二技术问题采用的技术方案是，一种所述光催化能源转化材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）原料的混合与成型：将有机铁分子材料加入氧化石墨烯溶液中，超声混合均匀后，使用液氮迅速冷却，而后进行冷冻成型干燥，得到三维气凝胶材料；

（2）高温碳化：将步骤（1）所得三维气凝胶材料置于氮气气氛中加热升温，并保温，进行碳化处理；

（3）酸洗除去不稳定组分：将碳化后的产物置于稀硫酸中，搅拌，进行酸洗，除去未被包覆的铁组分；

（4）进行碳热转化反应：将酸洗后的产物置于石墨坩埚中硅源的上方，而后于氩气气氛中加热，发生碳热转化反应，自然冷却，即成。