[发明专利]一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料及其制备方法。该材料组分包括半导体P25纳米粒子和FeNi‑LDH。该方法包括：将镍盐、铁盐与超纯水混合，搅拌，加入N‑甲基吡咯烷酮，加热反应，冷却，洗涤、冷冻干燥，将得到FeNi‑LDH的分散液中加入半导体P25纳米粒子，搅拌进行静电组装。该方法具有简单易行、成本低廉等特性，制备得到的复合纳米材料具有薄片结构，且具有对光催化分解水产氢效率高、光稳定性好等优点，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于光催化分解水产氢材料及其制备领域，特别涉及一种用于光催化分解水产氢的FeNi-LDH/P25复合纳米材料及其制备方法。

背景技术

传统化石能源严重短缺且日益枯竭，环境问题也在不断威胁人类自身的生存，通过利用清洁的太阳能将水分解成氢气和氧气，是太阳能利用的重要途径之一。近年来，利用半导体光催化剂分解水制氢以其廉价、节能、环保等优势有望成为新一代氢能开发技术，也是有望实现可持续生产氢气的环保技术。然而，现如今的光催化剂利用太阳光光催化分解水的效率相对较低，还不能在商业上广泛应用。限制人造光催化材料的转化效率的主要因素是光生电子空穴对的复合率较高，当光催化半导体材料吸收光子的能量后被激发产生电子和空穴对，所以光催化过程中电子和空穴的转移路径以及时间，对光催化效率的影响是非常重大的。现在，通过各种方法来提高材料的光催化性能是一个关键问题，复合材料异质结的构建也成为一种有效提升光催化材料产氢性能的方法之一。

P25具有光催化效率高，稳定性好和不产生二次污染等特点，近几年来是光催化剂研究最多的半导体材料之一，但是在光催化反应中，P25光生电子和空穴的复合率仍然很高。但是目前助催化剂仍然存在许多问题，如助催化剂的导电性较差，导致电子的传递效率不高；亲水性能较差，导致催化剂不能与水分子充分接触；助催化剂与半导体表面难以建立紧密的接触界面，不利于光生电荷的传递和催化剂的稳定性；氢吸附吉布斯自由能不利于析氢等。现在，科研工作者更倾向于寻找其他廉价的半导体与P25通过各种方式复合在一起，以此来提升光催化材料产氢性能。

科研工作者们常用添加贵金属助催化剂的方法，提升光催化材料的光生电子与空穴对的分离效率，从而提升其催化性能。然而，Pt等贵金属在地壳中含量稀少，价格昂贵，严重制约了Pt等贵金属在光催化领域中的应用。因此，开发来源丰富、廉价的非贵金属材料作为半导体光催化剂成为研究热点。二维LDH纳米片具有表面积大，活性位点多和电导率高等优点，具有从水中分解出H₂的光催化性能，通过改变LDH材料中的金属和M²⁺/M³⁺阳离子比例，就可以轻松调整带隙能量和禁带边缘位置。例如，Kulamani Parida et al.设计了g-C₃N₄/NiFe-LDH复合材料，最高产氢量为1488μmol h^-1g^-1，纯LDH材料产氢量为633μmol h^-1g^-1。相比之下，比先前发布的将铁掺入MgAl-LDH中，其产氢量却仅为493μmol h^-1g^-1。

FeNi-LDH很少单独用作光催化剂，这主要归因于其弱的可见光吸收和较差的载体分离效率。在先前的研究中，FeNi-LDH与其他光敏半导体(例如CdS，g-C₃N₄)耦合形成异质结构，但是其制备出的复合材料产氢量与纯CdS或g-C₃N₄等半导体相比，并未提高太多。例如，Hualei Zhou et al.采用喷涂法设计了二维CdS/NiFe-LDH异质结。最高产氢量仅为469μmol h^-1g^-1，且经过4个周期，氢气的排放降低12％。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于光催化分解水产氢的复合纳米材料及其制备方法，以克服现有技术中P25光催化剂产氢效果不佳等缺陷。