[发明专利]一种NiFe@NC/Al-SrTiO3

说明书

本发明提供了一种NiFe@NC/Al‑SrTiO₃复合光催化剂及其应用。本发明研究表明NiFe@NC纳米材料可作为光催化剂的助催化剂，促进Al‑SrTiO₃的光吸收性能，加快光生电子传输与分离，提高光生电荷的利用效率，降低Al‑SrTiO₃表面的氧化还原反应能垒，进一步将其制备的复合光催化剂NiFe@NC/Al‑SrTiO₃用于光催化分解水制氢，表现出高效的光催化分解水制氢活性。且NiFe@NC助催化剂成本低，制备工艺简单，适于大规模应用，解决了贵金属助催化剂Pt、Rh等成本高昂、储量少、不适用于大规模应用的问题。

技术领域

本发明属于纳米光催化剂材料技术领域。更具体地，涉及一种NiFe@NC/Al-SrTiO₃复合光催化剂及其应用。

背景技术

化石能源(煤炭、石油、天然气等)是当前全球能源供给的主体。化石能源的消费是环境污染、温室效应的主要因素。另一方面，化石能源的储量是有限的，而人类社会的发展是无限的，人类庞大的能源消耗加速了化石能源的枯竭。环境污染与能源短缺成为人类社会在21世纪面临的重大问题，寻找可持续性的清洁型替代能源引起了前所未有的关注。太阳能是最具前景的可再生能源，因为它取之不尽、用之不竭、分布广泛。然而，由于太阳辐射的分散性与间歇性，从太阳获取的能量必须有效地转换成可储存、可运输以及可按需使用的化学能(Nat.Mater.，2017，16，23-34)。这一需求推动了可持续人工光合作用的发展，目的是模拟自然光合作用，利用太阳能将H₂O与CO₂转化为燃料(Chem.Soc.Rev.，2009，38，253-278)。在人工光合作用产生的太阳能燃料中，氢能(H2)是最具吸引力的一种，因为它具有高能量密度(每公斤氢气燃烧的热值约为1.4×10⁸J，其燃烧热值是酒精的3.9倍，是汽油的3倍。)，且燃烧时不产生污染物。并且H₂还可以用作大宗化学品合成的原料。因此，利用太阳能分解水生产H₂，为解决能源短缺与环境污染提供了可能。

一般来说，光催化剂表面的H₂与O₂的生成反应分别由还原与氧化助催化剂驱动(Nat.Rev.Mater.，2017，2，17050)。其中，功函较大的贵金属Pt容易与半导体形成肖特基势垒，可以作为优良的电子捕获陷阱，由于对质子的良好吸附而促进了H₂的生成反应(Chem.Rev.2020，120，2，919-985)。然而，水分解的逆反应也倾向于发生在Pt纳米颗粒上，因为Pt表现出较低的O₂还原反应的过电位(J.Catal.2008，259，133-137)。这个问题可以通过使用Ru(J.Phys.Chem.C 2011，115，3057-3064)或Rh(Angew.Chem.Int.Ed.2006，45，7806-7809)替代Pt催化水分解来避免。另外，光催化析氧半反应才是光催化水分解速率的决定步骤，因为它涉及到由H₂O形成O₂的四电子氧化路径，需要1.23eV的能量。为了达到高效率的水氧化半反应速率，贵金属氧化物，如RuO₂(J.Am.Chem.Soc.2005，127，4150-4151)与IrO₂(J.Am.Chem.Soc.2009，131，926-927)等，被认为是最好的析氧助催化剂。

虽然这些贵金属与贵金属氧化作为助催化剂具有很高的催化效率，但是其储量有限，且成本高昂，不利于其大规模应用。基于上述考虑，有必要开发出新型、低成本的非贵金属材料的助催化剂用于光催化分解水产氢。

发明内容