[發明專利]一種穩定、高效率制氫助催化劑及其制備方法

無效

• 申請號: 201410253260.X
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN103990472A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 向斌;楊雷
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: B01J27/051
• 分類號: B01J27/051;C01B3/04
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王旭

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，尤其涉及穩定、高效率制氫助催化劑及其制備方法和用途。

背景技術

由于化石燃料本身的不可持續性,以及燃燒化石燃料釋放的大量SO₂等會對環境造成污染,發展清潔、非化石燃料等可再生新能源成為最近幾年關注的焦點。太陽能是一種取之不盡，用之不竭的能源。但是太陽能存在著能量密度低、分散、不易存儲等問題。氫能具有清潔、無污染且氫燃燒的唯一產物是水，氫本身無臭無毒不會污染環境，因而被認為是一種最有前景的能量載體。因此利用太陽能用催化的方法分解水是一種非常理想、非常吸引人的產生清潔氫能源的方法(Khaselev?et?al.,Science,1998,280,425-427；Mor?et?al.,Nano?Lett.,2005,5,191-195；Lin?et?al.,Nano?Lett.,2013,13,5615-5618；Osterloh?et?al.,Chem.Mater.,2008,20,35-54)。

基于半導體的催化劑催化分解水主要有三個步驟：1)半導體光催化劑吸收光產生電子空穴對；2)電子和空穴分離并且轉移到催化劑的表面：3)光生載流子在催化劑的表面完成相關的氧化還原反應(Yang?et?al.,Acc.Chem.Res.,2012,46,1900-1909)。當這三個步驟全部完成時，催化反應才算結束。過去幾年，科學家們對基于半導體的光催化劑做了一定的研究并且取得了許多突破新的進展，但是在光催化被廣泛接受之前尤其是在大規模工業化應用之前仍然需要對光催化的三個步驟進行進一步地優化。擺在科研工作者面前的問題有：1)怎樣增強光催化劑材料對光的吸收，尤其是怎樣將光催化劑材料對紫外光波段的吸收擴展到對可見光的吸收。其中的措施包括：陰、陽離子摻雜，金屬等離激元對半導體材料的修飾等(Choi?et?al.,J.Phys.Chem.，1994,98,13669-13679；Asahi?et?al.,Science,2001,293,269-271；Linic?et?al.,Nat.Mater.,2011,10,911-921)；對吸收紫外波段的光催化劑表面敏化一些吸收可見光的化合物能夠擴展其光譜吸收范圍(Nazeeruddin?et?al.,Chem.Commun.2003,0,1456-1457)；2)怎樣增加催化劑的催化效率。其中的措施包括對光催化劑的表面修飾一些助催化劑納米顆粒，能夠增強對反應物的吸附；將光催化劑活性比較強的晶面暴露在周圍的反應物中從而增強催化劑的催化活性(Yang?et?al.,Nature,2008,453,638-641；He?et?al.,Chem.Commun.,2011,47,10797-10799)；3)怎樣減小光生載流子的復合幾率。其中的措施包括減少催化劑中缺陷的濃度和晶界，因為缺陷和晶界會在帶間產生雜質能級和表面態能級，從而增加光生載流子的復合幾率，因此減小了光催化的效率。(Hoffmann?et?al.,Chem.Rev.,1995,95,69-96；)。減少載流子的復合幾率的另一種途徑是在催化劑中添加助催化劑，當催化劑與助催化劑的價帶與導帶處于某個合適的位置時，光生電子和空穴會在兩者交界處的內建電場的作用下分離，從而大大減小了光生載流子的復合幾率。

現有的對光催化的三個步驟的優化面臨著成本高、制備工藝復雜等問題。

發明內容

本發明通過簡單的化學溶液合成法在半導體薄膜制氫助催化劑表面上覆蓋了許多金屬納米粒子，形成金屬半導體結。把覆蓋金屬納米粒子的半導體薄膜制氫助催化劑作為光催化劑的助催化劑進行光催化分解水時，催化效率要遠高于使用半導體薄膜制氫助催化劑自身時的催化效率。

具體的，本發明涉及如下各項：

1.一種穩定、高效率制氫助催化劑，所述制氫助催化劑通過金屬納米顆粒修飾半導體薄膜制氫助催化劑形成。

2.根據1所述的穩定、高效率制氫助催化劑，金屬納米顆粒位于常規制氫助催化劑的表面，且形成金屬半導體結。

3.根據1或2所述的穩定、高效率制氫助催化劑，其中所述金屬納米顆粒包括Cr、Ag、Fe、Co或Ni。

4.根據1或2所述的穩定、高效率制氫助催化劑，其中所述半導體薄膜制氫助催化劑包括MoS₂、WS₂或MoSe₂。

5.根據1或2所述的、高效率制氫助催化劑，優選其具有M-MoS₂表示的化學組成，其中M＝Cr或Ag。