[發明專利]光催化水分解

無效

• 申請號: 201180043743.1
• 申請日: 2011-07-15
• 公開（公告）號: CN103097284A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 吉多·米爾;威爾弗雷德·格拉爾德·范德爾維爾;馬希爾·彼得·德容
• 申請（專利權）人: 特溫特大學
• 主分類號: C01B3/04
• 分類號: C01B3/04;C01B13/02
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 李丙林;張英

技術領域

本發明涉及一種用于光催化分解水的方法，以及一種用于進行所述方法的裝置。

背景技術

全球能源挑戰是普遍的，轉向可替代的可持續能源是不可避免的，尤其是陽光。顯然的先決條件是能源應該可以用一天二十四小時。由于太陽能只可在白天獲得，以適當的方式存儲能量將是非常有利的。以氫的形式存儲將是實現此目的非常有吸引力的方式。產氫的理想方法是使用水作為氫源與太陽能一起用于轉化。因此，光催化分解水（這是光引發的水轉化成氫和氧的反應）作為一種最有前景的產氫過程備受關注。

使用光催化劑的高效的水分解，一直是研究人員的巨大挑戰。此外，通過使用可再生的能源形式分解水可能是環境和能源問題的最終解決方案。然而，因為熱力學增加（uphill）反應的困難，很長一段時間阻礙了用于水分解的高活性光催化劑的發展。

此外，有效地利用太陽光譜的可見部分一直是個挑戰。大多數單組分氧化物光催化劑需要被太陽光譜的紫外部分激活，該部分僅是總太陽光譜的小部分（約4%）。為了避免這個問題，已開發了以所謂的Z方案為基礎的光催化系統，它使得能夠使用太陽光譜的可見光部分。在圖1中示意地顯示了Z方案。

通過析氧光催化劑的可見光吸收進行Z方案，這致使氧氣生成。光生電子在該析氧光催化劑的導帶中的能級不夠高，不能引發氫形成，并且需要與在析氫光催化劑的價帶中的光生空穴再結合。在析氫光催化劑的導帶中的光生電子引發氫生成。

除此之外，Kudo和合作人開發了各種可見光響應的催化劑系統用于全部水分解，基于（1）Z方案和（2）通過溶液中的Fe²⁺/Fe³⁺氧化還原對的電子轉移，或通過在兩個催化劑顆粒之間接觸的自組裝（Kudo等，Chem.Soc.Rev.2009,38,253278）。顯而易見，在這兩種情況下，電子轉移是不適宜的，然而光生電子從析氧光催化劑的導帶至析氫光催化劑的價帶的轉移效率需要高至達到高的總水分解效率。

此外，在專利文獻已提出了用于分解水的光催化系統。WO-A-2008/102351描述了一種稍微相關的系統，適用于半導體-金屬復合（hybrid）納米組件。在WO-A-2008/102351中描述的發明中，光子被復合納米組件的半導體區域吸收，這致使電荷分離。而一個電荷載體保持在該半導體區域，另一個轉移到可發生氧化還原反應的復合納米組件的金屬/金屬合金區域。然而，在這些復合納米組件的分散中，將難以分離產生的氫和氧，并有可能再結合產生水。此外，該系統在可見光引發的水分解中將不是非常有效的。

US-A-2007/0105013描述了一種用于分離電荷相反的電荷載體的系統，基板包括半導體；與該半導體電連接的配體；共價連接的橋接導電聚合物；連接至該橋接導電聚合物的離子交換樹脂；離子交換膜；以及將所述樹脂連接至所述膜的電纜。該系統不利用催化劑制品的可見光活化的電勢，該催化劑制品利用Z方案原理。導電聚合物充當質子交換膜將析氫室與析氧室隔開，而不是電子/空穴的導體。此外，本文中，析氫不用單獨的析氫光催化劑進行。

為在光催化水分解中有效地利用可見光提供簡單的設計仍然是一個挑戰。本發明的一個目的是提供該挑戰的解決方案。

發明內容

本發明人找到了一種優異的解決方案，通過導電隔離層隔開析氧光催化劑和析氫光催化劑。

因此，第一方面，本發明涉及一種用于光催化分解水的方法，包括：

-通過光照射用析氧光催化劑氧化水，致使在析氧光催化劑的導帶中產生電子以及在析氧光催化劑的價帶中產生空穴；

-通過光照射用析氫光催化劑還原水，致使在析氫光催化劑的導帶中產生電子以及在析氫光催化劑的價帶中產生空穴；

其中，所述析氧光催化劑與導電隔離層的第一側接觸并且所述析氫光催化劑與所述導電隔離層的第二側接觸，以及

其中，在光激發的析氧光催化劑的導帶中的電子，通過電荷轉移穿過所述導電隔離層，與在光激發的析氫光催化劑的價帶中的空穴再結合。

本發明的方法使得電荷能夠從光激發的析氧光催化劑的導帶非常有效地轉移至光激發的析氫光催化劑的價帶，穿過相對薄的導電隔離層。由于該電荷轉移非常有效，強烈抑制了在光激發的析氧光催化劑的導帶中的電子與在光激發的析氧光催化劑的價帶中的空穴的再結合。類似地，在光激發的析氫光催化劑的導帶中的電子與在光激發的析氫光催化劑的價帶中的空穴的再結合是非常有限的。這種再結合進一步被在析氧光催化劑處的析氧反應和在析氫光催化劑處的析氫反應抑制。用于激發光催化劑的光優選為可見光。