[发明专利]一种强磁性铈、钾-铁酸铋固溶体压电制氢催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明属于无机化学、能源技术和催化领域，具体涉及到了一种强磁性铈、钾‑铁酸铋固溶体压电制氢催化剂及其制备方法与应用。所述压电制氢催化剂的制备包括以下步骤：将含Fe源，Bi源，K源和Ce源的混合物与乙二醇混合得到混合溶液；随后加入酒石酸，在加热状态下持续搅拌，直到酒石酸彻底溶解形成凝胶，随后将凝胶干燥后得到CKBF前驱体；将得到的CKBF前驱体煅烧，即获得CKBF压电制氢催化剂。本发明提供的一种强磁性铈、钾‑铁酸铋固溶体压电制氢催化剂的制备方法，工艺简单，制备的材料热稳定性好、催化活性高、较传统方法制备的BiFeO₃具有很强的磁性，更易于回收再利用，且具有更强的制氢效果。

技术领域

本发明属于无机化学、能源技术和催化领域，具体涉及到了一种强磁性铈、钾-铁酸铋固溶体压电制氢催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

目前，随着化石能源的不断消耗，人们对清洁能源的需求不断增加。氢能被誉为21世纪最具前途的清洁能源，氢能有效利用能够有效的减缓环境污染和能源消耗问题。通常，氢气可以直接通过太阳光分解水制备，但是在黑暗下不响应以及对太阳光利用率低等问题成为光催化制氢技术发展的限制条件。另外，电解水技术也是近年来制氢的一大热点话题，然而，电能的大量消耗也成为了该技术一个明显的缺陷。因此，发明一种简单高效的制氢技术迫在眉睫。

近年来，多铁材料因为同时具有多种特性而受到广泛关注。作为一种同时具有铁电和铁磁性的经典多铁材料，BiFeO₃在应力作用下，材料的局部偶极矩发生极化，材料内部产生电势差，形成一个极化电场，从而将机械能转化为电能，即为压电效应。此压电电场能够促进材料上的自由电子的迁移，造成电子空穴的分离，这些分离的电荷能够快速高效地分解水，在产氢领域有巨大的潜能。通常，BiFeO₃的压电性主要来自于A位铋离子6s孤对电子与氧原子2p轨道间杂化而形成沿着 (111)方向的铁电极化，但是由于高温烧结的过程中铋元素会部分挥发，造成杂相和漏电流的出现，影响压电性能；等价元素的A位取代能够有效地提高材料结晶度、降低漏电流，从而提升压电特性。同时，BiFeO₃磁性来自于B位铁离子自旋排列而产生的剩余磁矩，但是这个自旋存在小角度倾斜且形成一个长达62 nm的周期性螺旋结构，此结构使得材料的宏观净磁矩被抵消，虽然B位元素取代在一定程度上能够抑制周期性螺旋结构，但无法提高结晶度，甚至会带来杂相。因此，在提高材料晶相的基础上，同时增强压电性能和磁性响应，便是当前需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种强磁性铈、钾-铁酸铋固溶体压电制氢催化剂的制备方法。该方法简单易行，所得制氢催化剂具有很强的磁性，易于回收，为工业化应用提供了有力的依据。

本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的强磁性铈、钾-铁酸铋固溶体压电制氢催化剂。改压电制氢催化剂以超声作为压电驱动力，在经过80 min的超声后，氢气产生量可达515 μmol/g，远高于未掺杂的钛酸铋274 μmol/g。

本发明再一目的在于提供上述强磁性铈、钾-铁酸铋固溶体压电制氢催化剂在制氢领域中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种强磁性铈、钾-铁酸铋固溶体压电制氢催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：称取Fe(NO₃)₃•9H₂O，Bi(NO₃)₃ •5H₂O，KNO₃和Ce(NO₃)₃•6H₂O，与乙二醇混合得到混合溶液；

步骤2：随后在步骤1所得混合溶液中加入酒石酸，在加热状态下持续搅拌，直到酒石酸彻底溶解形成凝胶，随后将凝胶干燥后得到CKBF前驱体；