[發(fā)明專利]一種空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114984937A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈意;劉莎莎;朱超;許俊杰;張海忠
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;C01B3/04;C01G23/053;C01G23/08;C01B3/22
• 代理公司: 杭州浙科專利事務(wù)所(普通合伙) 33213
• 代理人: 龔如朝

本發(fā)明公開了一種空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑及其制備方法和應(yīng)用，所述催化劑包括含鈦空位的TiO₂內(nèi)芯以及包覆在其外側(cè)的含氧空位的TiO₂外殼，所述催化劑的雙空位即為鈦空位和氧空位。本發(fā)明創(chuàng)新性地通過一步水熱法合成空間分離的雙空位（鈦空位和氧空位）二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑，集合了空位、pn結(jié)和同質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供連續(xù)的能帶鍵合有效地加速跨界面的電荷轉(zhuǎn)移。該催化劑催化效率較高，尤其適用于光催化水解制氫。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

太陽能裂解制氫技術(shù)為可再生能源的發(fā)展提供了一種重要的碳中和思路，但光催化劑對太陽能的利用和它的電荷分離能力是其發(fā)展的限制因素，因此設(shè)計一種高效、耐用的光解水催化劑是關(guān)鍵。金屬半導(dǎo)體由于其良好的光催化性能和抗光腐蝕等特點(diǎn)，一直是光解水催化劑的研究重點(diǎn)。其中TiO₂由于其環(huán)境友好、廉價易得、性質(zhì)穩(wěn)定、高氧化性等優(yōu)點(diǎn)，被研究的最為廣泛。然而TiO₂的禁帶寬度較寬，只能吸收僅占太陽光總能量 5%的紫外光，且光生電子和空穴在遷移過程中極易復(fù)合，導(dǎo)致其太陽能利用率和能量轉(zhuǎn)換效率低下，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。為了提高TiO₂的能量轉(zhuǎn)化效率，就必須對其改性，抑制電子/空穴復(fù)合，提高太陽光的利用率，改善其催化性能。

近年來，出現(xiàn)了大量關(guān)于缺陷工程的研究，發(fā)現(xiàn)缺陷工程對界面電子結(jié)構(gòu)和活性中心的調(diào)節(jié)都有重要影響。眾所周知，光催化劑中的缺陷既可以作為光生電子的陷阱促進(jìn)光生載流子的分離，又可以作為光生載流子的復(fù)合中心降低光催化活性，而由兩個半導(dǎo)體組成的結(jié)能夠有效地分離光激發(fā)的電子-空穴對，隨后通過界面進(jìn)行轉(zhuǎn)移改善缺陷帶來的問題。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個半導(dǎo)體的能級相互匹配，由于界面處的能帶彎曲形成了內(nèi)置電場，這有助于光激發(fā)的電子和空穴朝著相反的方向移動。另外，與由兩種不同材料組成的異質(zhì)結(jié)相比，由相同成分和/或晶體結(jié)構(gòu)的材料制成的同質(zhì)結(jié)可以提供連續(xù)的能帶鍵合，并有效地加速跨界面的電荷轉(zhuǎn)移。本發(fā)明認(rèn)為以空位主導(dǎo)的的p-n同質(zhì)結(jié)是更有光催化制氫前途的，因為它結(jié)合了缺陷工程、p-n結(jié)和同質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明創(chuàng)新性地通過一步水熱法合成空間分離的雙空位（鈦空位和氧空位）的二氧化鈦同質(zhì)結(jié)，該催化劑催化效率較高，尤其適用于光催化水解制氫。

為了充分利用二氧化鈦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和光催化特點(diǎn)，本發(fā)明采用了一種全新的思路：利用含鈦空位的二氧化鈦能夠形成空穴型半導(dǎo)體（p-type semiconductor），而含氧空位的二氧化鈦能夠形成電子型半導(dǎo)體（n-type semiconductor）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；且含有pn結(jié)的同一種半導(dǎo)體能夠形成同質(zhì)結(jié)，它可以提供連續(xù)的能帶鍵合并有效地加速跨界面的電荷轉(zhuǎn)移。

本發(fā)明的另一目的具體是提供一種通過一步水熱法合成空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)的制備方法，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑，在含鈦空位的內(nèi)芯TiO₂外面包裹含氧空位的外殼TiO₂，得到所述空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑，所述催化劑的雙空位即為鈦空位和氧空位。

所述的一種空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑的制備方法，采用一步水熱的制備方法，包括先合成含鈦空位的前體，再合成氧空位的TiO₂的一步水熱法。

一種空間分離的雙空位二氧化鈦同質(zhì)結(jié)催化劑的制備方法，一步水熱法的具體步驟如下：

1）將甘油和低級醇類混合攪拌均勻后，向其混合溶液中加入鈦鹽，充分?jǐn)嚢璧玫降谝换旌衔铮?/p>