[發明專利]一種新型不含貴金屬光解水制氫催化劑的制備方法

無效

• 申請號: 201010192443.7
• 申請日: 2010-06-07
• 公開（公告）號: CN102266787A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: 付文甫;呂小軍
• 申請（專利權）人: 付文甫;呂小軍
• 主分類號: B01J27/04
• 分類號: B01J27/04;B01J21/18;B01J27/045;C01B3/04;C01B13/02
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技術領域

本發明涉及一種不利用貴金屬作為助催化劑的太陽能分解水制氫催化劑制備方法，屬于光催化技術與環境科學領域。

背景技術

氫能因其無污染等被認為是未來最理想的二次能源之一。隨著對太陽能資源的利用與開發，能否利用太陽能分解水制氫成為氫制備領域中的一個研究熱點。然而，在大多數光催化制氫體系中制氫效率普遍較低，而且仍然需要貴金屬材料作為助催化劑。因此，光解水制氫的一個很重要方面就是具有較好穩定性、可見光響應、高的制氫效率及價格低廉的光催化劑的制備。基于半導體的光催化劑以及半導體復合材料由于具有良好的物理及化學性質，廣泛應用于光解水制氫體系中。例如，CdS，帶寬為2.4eV的n型半導體，具有可見光吸收和光催化分解水制氫的性能。但是由于CdS光化學穩定性較差，易腐蝕，需要與其它半導體或無機、有機材料復合加速電子傳遞，以提高其穩定性。TiO₂具有高催化活性、化學穩定性強、無污染、價格低廉，是目前在光催化體系中應用最廣泛的材料。但二氧化鈦納米粒子需要通過摻雜、染料敏化、與其它窄帶寬半導體復合等方式來提高它對可見光的響應，以提高光分解水制氫效率。通常，貴金屬Pt，Pd，Ru和Rh作為助催化劑與CdS、TiO₂等半導體材料復合，以提高其光催化活性和光分解水制氫效率，但貴金屬價格昂貴，難回收，對環境不友好，從而制約了它的使用，因此研究人員希望建立新的制氫體系或發現既便宜又環保的綠色材料代替貴金屬，達到高效低成本制氫。

像碳納米管等碳納米結構材料具有優良的電子接受和傳遞性質，這些碳結構材料與半導體材料的復合已經應用在光分解水制氫中。其中石墨烯具有獨特的電子傳輸性質，而且由于石墨烯具有單層原子結構，可以做成透明的薄膜材料，另外其獨特的二維蜂窩狀平面結構，都將大大提高對光的吸收及電子傳輸性質。因此將石墨烯材料與TiO₂、CdS等半導體材料的復合將同時擁有優良的光催化活性、傳導性以及可控性，從而提高光分解水制氫的效率。這種復合材料具有較高的制氫效率，而且更重要的是該催化劑價格便宜，制備簡單，為我們提供了可代替貴金屬催化劑的新思路或新方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種不利用貴金屬材料作為助催化劑的太陽能光催化分解水制氫光催化材料，并且這種光催化材料利用石墨烯作為助催化劑，具有較高的光催化制氫效率，可代替貴金屬Pt。

本發明所述的不含貴金屬材料的光催化劑的制備包括以下兩個方面：

(1)CdS-石墨烯復合材料光催化劑的制備；

(2)TiO₂-石墨烯復合材料光催化劑的制備。

CdS-石墨烯氧化物光催化劑的制備過程如下：

2mg的磺酸化的石墨烯分散于20mL的去離子水中超聲30min，逐滴滴入6mL?0.1mol/L的CdCl₂溶液，攪拌2h后再滴入10mL?0.05mol/L的Na₂S溶液，并攪拌3h后，過濾多次洗滌后，在70℃的真空環境中干燥。

P25-石墨烯復合材料光催化劑的制備過程如下：

將2mg石墨烯氧化物分散于20mL水和10mL乙醇混合溶劑中，超聲振蕩1h使其分散均勻。然后加入200mg二氧化鈦，充分攪拌2h，放入50mL的不銹鋼反應釜中，在120℃加熱3h，經過濾多次洗滌后，在70℃的真空環境中干燥。

本發明所述的方法是用0.25mol/L的Na₂S溶液和0.35mol/L的Na₂SO₃溶液作為犧牲劑，用石墨烯修飾的CdS-石墨烯、TiO₂-石墨烯復合納米材料作為光催化劑，光源為近似太陽光譜的金屬鹵素燈，在用氮氣除氧40min條件下進行光催化分解水制氫。其中，CdS-石墨烯光催化制氫是在可見光(λ＞400nm)照射條件下，TiO₂-石墨烯復合納米材料光催化劑是在全波段照射條件下進行。

本發明所述的方法是將石墨烯修飾的CdS-石墨烯、TiO₂-石墨烯復合納米材料作為光催化劑的產氫效率與光沉積2％Pt的CdS-Pt復合物、TiO₂-Pt復合物的光催化劑在相同條件下的制氫效率相比較。

本發明所述的方法是將石墨烯修飾的CdS-石墨烯、TiO2-石墨烯復合納米材料作為光催化劑的產氫效率與單純的CdS、P25納米粒子的產氫效率在相同條件下的制氫效率相比較。

本發明的優點及效果是：