[發明專利]一種高效可見光激發水分解制取氫氣和氧氣的催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201310217532.6
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN104209135B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 李永丹;李陽
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C01B3/04;C01B13/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發明屬于光催化水分解技術領域，更加具體地說，涉及光解水催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著化石燃料的日益枯竭，及其帶來的嚴重環境危害，尋求一種可替代的清潔可再生能源是人類的迫切愿望。太陽能是一種取之不盡用之不竭的天然能源，利用太陽能發電早已變為了現實。此外利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣是近代研究的一個熱點方向，這樣做的優勢在于，能量以氫氣形式儲存要比以電能或者熱能儲存起來方便的多；氫氣摩爾熱值高（～140kJ/g），儲能量大，清潔環保，無毒害，是一種具有極大潛在優勢的燃料和能源；而且，由水產生氫氣，燃燒后重新生成水，其凈結果是光能轉變為了化學能，如能實現光解水獲得氫氣則能達到能源可持續性；氫氣不僅是一種儲存著高能量的清潔能源，而且亦是一種極為重要的化工原料，如合成氨、甲醇，以及參與加氫、脫硫、脫氮、脫金屬等反應，特別是還可以加氫還原溫室氣體二氧化碳。所以，找到一種有利的完全水分解方式成為了關鍵。1971年，日本科學家Fujishima和Honda首次報道了二氧化鈦在紫外光照射下，配合上極小的外加電壓就能分解純水的科技發現，這項發現開創了近代光催化領域的新篇章。為了在沒有外加電壓的幫助下亦可以完全分解水，在近40年的時間里，數不勝數的光解水催化劑被研發，反應機理和反應模型也被不斷地構建與更新。典型的光解水催化劑有TiO₂，CdS，(Ga_1-xZn_x)(N_1-xO_x)，TaON，SrTiO₃等，還有眾多為了克服單種光催化劑不足而研發的復合型光解水催化劑如Pt/TiO₂，CdS/TiO₂，ZnO/CdS，TiO₂/RuO₂等。科學家們努力嘗試，研發了大量的新型催化劑，但是能夠達到分解水目的的報道數量很少。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種高效可見光激發水分解制取氫氣和氧氣的催化劑及其制備方法。

本發明的目的通過下述技術方案予以實現：

一種高效可見光激發水分解制取氫氣和氧氣的催化劑，由元素鉭（Ta）、銦（In）、鎳（Ni）、氧（O）、氮（N）組成，化學組分表示為In_1-xNi_xTaO_4-zN_z，呈現單晶態，其中x表示元素鎳和鉭的摩爾比例，0<x≤0.2，優選0.1≤x≤0.2，更加優選為0.1；z表示元素氮和氧的摩爾比例，0<z<1。

制備方法采用固溶體法進行制備，按照下述步驟進行：

步驟1，將氧化物粉末In₂O₃,NiO和Ta₂O₅按照上述化學組分表示的化學計量比進行混合均勻后壓片；

步驟2，將壓片后的樣品進行高溫焙燒；

步驟3，將高溫焙燒后的樣品研磨過篩；

步驟4，將過篩后的粉末在氨氣下進行滲氮處理，得到最終催化劑In_1-xNi_xTaO_4-zN_z。

在上述技術方案中，所述步驟1中，選用的氧化物粉末為化學純或者分析純，預先進行干燥以排除水分的影響，然后進行研磨后過篩（200—300目），選擇粒徑較為均一的氧化物粉末進行混合；在混合過程中選擇球磨機，轉速為500—700轉/分鐘，持續時間在30min以上，優選30—60min，也可選擇手工研磨，以達到氧化物粉末混合均勻為目的；壓片時選用壓片機進行，壓力選擇1至5Mpa，優選2—5MPa。

所述步驟2中，所述高溫焙燒工藝為：焙燒溫度為1000—1200℃，優選1100—1150℃；焙燒保溫時間至少20小時，例如20—72小時，優選24—48小時；自室溫20—25開始升溫，保溫達到所需時間后自然空冷至室溫，焙燒氣氛選擇空氣，焙燒機器選用控溫的常用馬弗爐即可。

所述步驟3中，將高溫焙燒后的樣品研磨過篩得到粒徑較為均一的粉末顆粒，同時增大滲氮的面積，例如100—300目。