[发明专利]一种利用液态金属光催化分解水制氢的方法

说明书

一种利用液态金属光催化分解水制氢的方法，其特征在于：在250W的紫外灯光照下，将含有金属镓的液态合金加入去离子水中，经过在45~55℃下微波处理后，密封后置于10~25℃恒温水浴中，通入惰性气体，调节气压在6~20KPa，并用150W的紫外灯或氙灯持续光照1~24h。本发明制得的微纳米液态金属球形光催化剂直径大小约为10.1μm，成功的利用液态金属催化剂催化水解制氢，水解180min时产生氢气的量为1833.7μL，本发明中的新型液态金属光催化剂催化水分解制氢，为传统的光催化剂产氢发展提供新路径，为新兴的光催化产氢领域提供新的方案。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体涉及一种利用液态金属光催化分解水制氢的方法。

背景技术

氢气是一种绿色可再生的清洁能源，具有高重量的能源密度，是未来理想的燃料。目前90％以上的氢气是由甲烷水蒸气重整和水煤气变换获得，其制备过程需要大量化石能源。利用太阳光催化水分解转化产氢气是意义重大同时又极具挑战性的工作，也是引起全世界关注的最重要的光催化反应之一。目前利用太阳光催化水制氢的过程中，常用的半导体光催化剂比如TiO2对光的利用率较低，效率较低。催化剂的选择、催化反应的条件和稳定性等影响了光解水制氢的效率。

光催化反应可以分为两类降低能垒(down hil1)和升高能垒(up hil1)反应。光催化氧化降解有机物属于降低能垒反应，反应较为容易，属于释放能量的反应，此类反应的△G0，反应过程不可逆，这类反应中在光催化剂的作用下引发生成O2-、HO2、OH·、和H+等活性基团。水分解生成H₂和O₂则是升高能垒反应，一般情况下较为困难，需要吸收很强的能量才能发生，该类反应的△G0(△G＝237kJ/mo1)，此类反应将光能转化为化学能。要使水分解释放出氢气，热力学要求催化剂的导带底位置必须比H⁺/H₂O(0.41eV)的氧化还原势负，才能产生氢气，价带顶必须O₂/H₂O(+0.82eV)的氧化还原势正，才能产生氧气，因此发生光水解必须具有合适的导带和价带位置，而且要考虑超电压的存在，催化剂的禁带宽度通常大于1.8eV，为了更好的利用太阳光，禁带宽度小于3.0eV。

专利CN110404556A中以银、铜、钯、钨、钼或镍纳米金属被液态金属包裹形成核壳结构，并加入镓金属氧化物，形成了一种核壳结构的液态金属光催化剂，用于光催化降解有机物。但是本领域均知晓，催化水分解制氢是利用导带电子的还原性直接与吸附的水作用产生还原产物氢气，而光催化降解有机物是通过氧化形成自由基降解有机物，两个催化反应中对催化剂的价带和导带位置要求不同，该专利申请文件中在液态金属中加入了银、铜、钯、钨、钼或镍金属，改变了催化剂的价带和导带位置，且上述金属的添加，在催化过程中形成的金属离子会中和催化过程中的部分光生电子，使得参与还原水制氢光生电子减少，从而降低了制氢效率，因而该专利申请在用于光催化水解制氢上具有一定的局限性。

液态金属催化剂的应用领域方面，在光催化水分解产氢领域几乎空白。目前，还没有基于一种液态金属光催化分解水制氢的方法提出。因此，在本专利中，我们提出了一种新型液态金属光催化剂催化水分解制氢，期望为传统的光催化剂产氢发展提供新路径，为新兴的催化产氢领域提供可解决的方案。

但是在液态金属催化水解过程中，由于液态金属本身的可流动液态特性，使得液态金属催化剂自身容易团聚，不能长期稳定地保持纳米形态，从而降低了在其对水的光催化性能和催化稳定性能。

发明内容

基于上述技术问题，本发明目的在于提供一种利用液态金属球体光催化分解水制氢的方法。液态金属球体催化剂在催化水分解过程中长期稳定在纳米级别，提高了催化性能和催化稳定性。

本发明目的通过如下技术方案实现：