[发明专利]一种表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂及其制备方法与应用，属于材料制备及光催化技术领域。其以共价三嗪有机骨架为载体，通过碱水解其中的残余氰基转化为支架羧基，再利用光沉积的方法将Pt纳米颗粒锚定于支架羧基上，制备表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂Pt‑CTF‑COOH。该方法通过对共价三嗪有机骨架进行羧基功能化，并将Pt固载于羧基支架上，实现了Pt纳米颗粒的单分散，有效提高了其光催化分解水产氢的效率。本发明光催化剂稳定性好，使用寿命长，且合成方法简单便捷，解决了现有技术中光催化剂制备工艺繁琐、稳定性差等问题，符合实际生产需要，具有较大的应用潜力。

技术领域

本发明属于材料制备及光催化技术领域，具体涉及一种表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

光催化分解水制氢是一种清洁的氢能生产技术，为太阳能转化提供了一条新途径，而要实现高效的光催化分解水制氢关键在于光催化剂的合理设计。自1972年发现TiO₂-Pt能实现光电催化分解水产氢以来，大量的光催化剂被设计合成出来。从能带结构上分析，尽管这些光催化剂都符合分解水制氢的要求，但是由于其表面功函低，溢氢效果差，为了达到较好的制氢性能，通常需要在光催化剂上担载具有高表面功函的贵金属作助催化剂来完成。这是因为合适的贵金属助催化剂不仅可以抑制载流子的复合，降低析氢的过电位，而且可以为析氢提供还原活性位点，避免逆反应的发生。然而，目前大多数光催化分解水制氢体系中助催化剂仅仅是通过弱静电吸附或范德华力的作用简单地负载于光催化剂的表面。虽然所得复合光催化剂的光催化活性得到了一定的提高，但由于相互作用的微弱性，往往导致复合光催化剂不稳定，表面助催化剂容易聚集和浸出。此外，弱的相互作用也极大地限制了光催化剂与助催化剂之间的高电荷转移。这些不足，再加上助催化剂随机分布的形貌，使得该复合光催化体系的催化效果总体不尽如人意。因此，为构建高效稳定的光催化分解水制氢体系，迫切需要寻找合适的光催化剂载体和开发有效稳定助催化剂的方法。

共价有机骨架是一种的共轭微孔聚合物，其具有可设计的周期结构、易调控的电子能带结构、良好的稳定性和易进行功能化修饰及合成方法简单多样等优点。其中共价三嗪有机骨架是共价有机骨架的一类，具有与氮化碳相类似的结构。前期研究表明共价三嗪有机骨架拥有π-π堆积的结构，有利于电荷载流子的输运。这个特征与其固有的大表面积、可调节的孔隙率和可修饰的化学结构相结合，为共价三嗪有机骨架成为设计高效复合材料的平台创造了有利条件。基于此，我们以共价三嗪有机骨架为载体，发明了一种表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂(Pt-CTF-COOH)，并应用于光催化分解水制氢的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种表面限域单分散Pt 纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂及其制备方法和可见光激发下分解水制氢的应用。本发明通过碱水解氰基生成羧基支架结合光还原法的方法使Pt纳米颗粒锚定并限域于共价三嗪有机骨架的表面，合成了复合光催化剂Pt-CTF-COOH，并将Pt-CTF-COOH应用于可见光下分解水产生氢气的反应。该体系中光催化剂稳定性好，使用寿命长，且合成方法简单便捷，具有较大的应用潜力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂 Pt-CTF-COOH，是以共价三嗪有机骨架为载体，利用碱水解残余氰基生成支架羧基结合光沉积的方法实现表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂。该方法利用氰基的水解特性转换成羧基，羧基再与Pt通过共价键Pt-O键相连接，不仅有利于Pt纳米颗粒在催化剂表面的稳定，而且有益于催化剂与Pt纳米颗粒之间的电荷转移，从而提高其光催化分解水制氢的效率。

一种制备如上所述的表面限域单分散Pt纳米颗粒的共价三嗪有机骨架复合光催化剂的方法，包括以下步骤：