[发明专利]一种界面型光催化制氢结构体系及其构建方法

说明书

本发明公开一种界面型光催化制氢结构体系及其构建方法，该界面型光催化制氢结构体系包括吸水层、用于传输水至体系上表面，吸水层上表面固定有能够透水、并能够利用太阳光全光谱能量分解水制氢的光热‑光催化层，该光热‑光催化层为光催化材料与光热转换材料的复合薄膜；吸水层底部填充有隔热层，该隔热层能够在水中悬浮，用于支撑整个体系、同时减少吸水层与水体接触面积以减少热损失。使用时，该结构体系将漂浮于水面上，吸水层将下方的水传输到复合薄膜表面，湿润的复合薄膜表面水与光催化剂接触，在太阳光的照射下，光催化剂吸收紫外‑可见波段光发生光催化反应制氢，其它部分的光将会被光热转换材料吸收并转化为热，供给整个体系。

技术领域

本发明涉及一种界面型光催化制氢结构体系及其构建方法，属于光催化分解水制氢技术领域。

背景技术

光催化制氢技术自上个世纪七十年代被提出后，一直备受关注。

为了提升光催化效率，并实现光催化技术的大规模应用，多方面因素综合促进反应效率以及对太阳光谱的高效利用，是至关重要的策略点。除了光生载流子分离效率、能带结构等对光催化剂本身的光催化效率的影响外，光催化反应环境以及太阳光谱的利用，也是影响光催化反应性能的重要因素。能否较为充分利用太阳光谱的能量，以及涉及到光催化反应的环境是否有利于光催化产氢循环体系的进行等方面，能直接地影响光催化反应效率，因此，开展这些方面的研究对推动光催化产氢领域地进展具有积极意义。

现有的光催化分解水技术通常采用光催化剂粉体或者制成光催化薄膜来提高光催化效率。使用粉体时，直接将粉体分散在水中，外加磁力搅拌装置使其均匀分散，接冷却循环水控制体系温度；用光催化薄膜时，是将其固定在玻璃一类的基板上，置于水体内部，或者直接将薄膜置于水中，反应器外接冷却循环水，消耗额外的能量控制体系的温度。这些传统的光催化制氢体系重点关注光催化剂本身的反应效率，不考虑光谱能量的利用程度。

然而，实际应用过程中，绝大部分光催化剂只能吸收太阳光谱中极少的一部分，光催化反应除受半导体自身性能的影响外，仍然受到周围环境的影响，重重限制，使得光催化效率难以达到较为理想的结果。如果能构建一个体系，一方面将多余的太阳光的能量进行转化利用，另一方面提供一个多方面有利于光催化制氢反应的环境，这势必能在一个普通的光催化剂材料能力的基础上，进一步将其制氢效率大幅提升。

发明人基于上述设计构思，形成了本发明技术。

发明内容

发明目的：针对现有的光催化制氢技术采用的光催化体系仅关注催化剂本身反应效率、无法有效提高光催化效率的问题，本发明提供一种能够综合利用全光谱能量的界面型光催化制氢结构体系，还提供了一种该光催化制氢结构体系的构建方法。

技术方案：本发明所述的一种界面型光催化制氢结构体系，包括吸水层、用于传输水至体系上表面，吸水层上表面固定有能够透水、并能够利用太阳光全光谱能量分解水制氢的光热-光催化层，该光热-光催化层为光催化材料与光热转换材料的复合薄膜；吸水层底部填充有隔热层，该隔热层能够在水中悬浮，用于支撑整个体系、同时减少吸水层与水体接触面积以减少热损失。使用时，将该界面型光催化制氢结构体系置于反应溶液(含有牺牲剂的水)中，该结构体系将漂浮于水面上，吸水层将下方的水传输到复合薄膜表面，将其润湿，湿润的复合薄膜表面水与光催化剂接触，在太阳光的照射下，光催化剂吸收紫外-可见波段光发生光催化反应制氢，其它部分的光将会被光热转换材料吸收并转化为热，供给整个体系。

优选的，吸水层采用多孔吸水材料，如三聚氰胺泡沫等有着良好吸水性的材料，可以通过毛细作用将少量水向上传输；隔热层采用防水隔热材料，如聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫等。