[发明专利]一种三明治结构催化剂、空间分离双助剂结构光催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种三明治结构催化剂及其制备方法、空间分离双助剂结构光催化剂及其制备方法和应用，属于光催化材料技术领域。本发明以碳纳米材料为模板，利用原子层沉积(ALD)法在其外表面依次沉积形成第一氧化物纳米层、氧化物纳米粒子层和第二氧化物纳米层，再经煅烧处理和还原处理，得到三明治结构催化剂。采用本发明提供的方法制备得到的三明治结构催化剂具有优异的光生载流子分离性能和较多的析氢活性位点，光催化析氢活性高。本发明在三明治结构催化剂基础上通过进一步构筑空间分离双助剂结构，获得空间分离双助剂结构光催化剂，所述空间分离双助剂结构光催化剂的光生载流子分离效率高，具有优异的光催化析氢和全解水活性。

技术领域

本发明涉及光催化材料技术领域，尤其涉及一种三明治结构催化剂及其制备方法、空间分离双助剂结构光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

半导体光催化水分解制氢(H₂)是极具前景的太阳能利用技术之一，可将间歇性的太阳能转化为可储存、无污染的氢能，对于缓解能源危机和保护环境具有重要意义，因而受到各国研究人员的广泛关注。然而，半导体中光生载流子的复合速率大，光催化水分解制氢效率低。为减少半导体中光生载流子的复合，负载助催化剂(如铂、铜或镍等还原性助催化剂，氧化锰、氧化钌、氧化镍或氧化钴等氧化性助催化剂)是促进光生电荷分离、制造表面高活性反应位点的一种有效方法。助催化剂拥有合适的粒径并能稳定地锚定在载体上是保证负载型催化剂高活性和长期稳定性的必要因素。然而，负载在半导体表面的助催化剂不仅容易在催化剂制备和反应过程中发生聚集，从而降低催化剂的活性以及稳定性，而且助催化剂和半导体之间的接触面较少，不利于光生载流子的传输和光催化氧化还原反应的发生。

为了增加催化剂的稳定性以及光生电子的传输通道，并减少光生载流子的传输距离，将助催化剂嵌在半导体中制备三明治结构催化剂是一种解决上述问题的方法。但是，现有技术中通常采用溶胶凝胶和水热法制备三明治结构催化剂，制备方法复杂，难以精确控制三明治内外层材料厚度、氧化还原助剂纳米颗粒的尺寸与分布以及金属-半导体界面结构，且催化剂活性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三明治结构催化剂及其制备方法、空间分离双助剂结构光催化剂及其制备方法和应用，采用本发明提供的方法制备的三明治结构催化剂，能够最大化析氢活性位点且减少光生载流子复合；基于该三明治结构催化剂得到的空间分离双助剂结构光催化剂，能够进一步减少光生载流子在半导体中的复合，具有优异的光催化析氢和全解水活性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三明治结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：

以碳纳米材料为模板，利用原子层沉积法在所述碳纳米材料的外表面沉积形成第一氧化物纳米层，所述第一氧化物纳米层的化学组成包括二氧化钛或氧化锌；

利用原子层沉积法在所述第一氧化物纳米层的外表面沉积形成氧化物纳米粒子层，所述氧化物纳米粒子层的化学组成包括铜的氧化物、镍的氧化物或铂的氧化物；

利用原子层沉积法在所述氧化物纳米粒子层的外表面沉积形成第二氧化物纳米层，得到第一催化剂前体，所述第二氧化物纳米层的化学组成包括二氧化钛或氧化锌；

将所述第一催化剂前体进行煅烧处理，以在去除所述第一催化剂前体中碳纳米材料的同时使得第一氧化物纳米层和第二氧化物纳米层结晶化，得到第二催化剂前体；

对所述第二催化剂前体中的氧化物纳米粒子层进行还原处理，在第一氧化物纳米层和第二氧化物纳米层之间形成金属纳米粒子，得到三明治结构催化剂，所述金属纳米粒子包括纳米铜、纳米镍或纳米铂。

优选地，沉积所述第一氧化物纳米层所用原料包括四异丙醇钛-水体系、四氯化钛-水体系或二乙基锌-水体系；沉积条件包括：温度为100～200℃，压力为10～100Pa。