一种自组装高效光催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于光催化水解制氢领域，具体地涉及一种具有可见光高光催化活性的上转换发光材料(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li)与纳米混合型钙钛矿(NaNb_xTa_1-xO₃)结合同时负载贵金属铂(Pt)的自组装高效光催化剂及其制备方法和在光催化水解制氢中的应用。

背景技术：

近年来，全球能源需求不断增长，供需矛盾进一步恶化。煤、石油、天然气等常规能源是目前全球消耗的最主要能源，但使用过程中会新增大量温室气体CO₂，同时可能产生一些有污染的烟气，威胁全球生态。从另一方面看，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世纪将被开采殆尽，所以将会带来严重的能源危机。能源是经济和社会发展的动力，是社会经济发展目标能否实现的具体保证，因此，开发清洁可再生能源已经迫在眉睫。

近些年，世界各地都致力于发展新型环保能源，例如太阳能、核能、地热能、风能、海洋能和氢能等。其中氢能被公认为是未来最有潜力的能源之一，氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。现在工业每年用氢量为5500亿立方米，氢气与其它物质一起用来制造氨水和化肥，同时也应用到汽油精炼工艺、玻璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品工业中。液态氢可以作为火箭燃料，因为氢的液化温度在-253℃。由此可以看出，氢能正逐渐取代其他能源成为能源科学界的热点。因此，氢能正是一种在常规能源危机的出现、环境污染问题日益严重以及在开发新能源的背景下人们期待的新的清洁能源。

众所周知，氢能有许多令人满意的优点。现有技术中可以利用电解水、热裂解等方法制取氢气，但是成本极高。近年来，利用光解水制氢已经收到了广泛的关注，在利用半导体分解水方面也做出了巨大的努力。其中，NaTaO₃是被研究最为广泛的催化剂之一，它在光解水制备氢气和氧气方面有着诱人的前景。但是由于NaTaO₃的带隙较宽，只有在紫外光照射下才能产生高的光催化活性。令人遗憾的是太阳光中仅有不足4.0％的紫外光，因此大大降低了光催化制氢的效果并限制了它的实际应用。因此，发明一种具有可见光高光催化活性的光催化剂变得尤为重要。

技术实现要素：

为了解决纳米NaTaO₃作为光催化分解水制氢的重要催化剂光催化效率不高，仅能吸收太阳光中不足4％的紫外光照射的问题，本发明提供一种将上转换紫外发光材料(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li)与纳米光催化剂(NaNb_xTa_1-xO₃)结合，同时负载贵金属Pt的自组装高效光催化剂，该催化剂可大幅度提高光催化水解制氢的效率。

本发明采用的技术方案是：一种自组装高效光催化剂，所述的自组装高效光催化剂是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃，其中，x＝0-0.5，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_xTa_1-xO₃的质量比为0.0-1.0:1.0，铂的负载量为0.2-0.3％。

优选的，所述的自组装高效光催化剂是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃，其中，x＝0.5，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_xTa_1-xO₃的质量比为0.4:1.0，铂的负载量为0.25％。

上述的一种自组装高效光催化剂的制备方法，方法如下：将适量的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_xTa_1-xO₃与氯铂酸混合，加入适量的甲醇，在室温下，超声分散30-60min，加热煮沸30-60min，干燥，将所得的固体混合物研磨，随后在200-300℃煅烧3.0-3.5h，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃。

上述的一种自组装高效光催化剂的制备方法，所述的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_xTa_1-xO₃的制备方法为：将适量的固体Ta₂O₅、Nb₂O₅与固体NaOH混合，将所得的混合物加入到蒸馏水中，充分搅拌30-60min，加入Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li，再充分搅拌30-60min，然后将所得的悬浊液加入到聚四氟乙烯反应釜中，在150-200℃下恒温加热15.0-16.0h，得到的产物用去离子水和乙醇洗涤，干燥，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_xTa_1-xO₃。

上述的一种自组装高效光催化剂的制备方法，所述的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的制备方法为：按化学分子式Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li中各元素配比取料，将Y₂O₃和Pr₆O₁₁溶解在浓硝酸中，并磁力加热搅拌直至无色透明，蒸发出多余的硝酸，然后加入LiNO₃、乙醇、蒸馏水和四乙氧基硅烷，在室温下搅拌5-30min，升温至60-80℃，加热搅拌至溶液呈透明凝胶，将透明凝胶在80℃烘箱中烘干，然后在1000-1200℃煅烧3.0-4.0h，得Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li。

上述的一种自组装高效光催化剂在光催化水解制氢中的应用。方法如下：将上述的自组装高效光催化剂加入到甲醇水溶液中，在可见光下，照射5.0-6.0h。

本发明的自组装高效光催化剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃在可见光照射下分解水制氢的原理：由于NaNb_xTa_1-xO₃的能带较宽，只能吸收紫外光。所以当可见光直接照射NaNb_xTa_1-xO₃时，几乎不能激发NaNb_xTa_1-xO₃粒子产生电子-空穴对，而当可见光照射到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li后，由于Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li在可见光(低能量的光)照射下基态光子能够被逐级激发到更高的能级，然后这些光子再跃迁回基态后发射出紫外光(高能量的光)，这些紫外光能有效地激发Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li周围的NaNb_xTa_1-xO₃粒子，经过激发的NaNb_xTa_1-xO₃价带(VB-band)上的电子可以传递到导带(CB-band)上，从而形成具有高能量的电子-空穴对，这些载流子易复合湮灭而释放光或热，没有湮灭的光生电子和空穴使NaNb_xTa_1-xO₃表现出光催化性能。光催化分解水制氢的机理在于吸附在催化剂表面的H⁺被迁移到催化剂表面的光生电子还原生成H₂，同时吸附在催化剂表面的OH^-被迁移到催化剂表面的光生空穴氧化生成O₂，其本质是一个氧化还原过程。因此，光催化分解水制氢的产物为H₂和O₂。为了提高光催化分解水制氢的效率和纯度，本发明加入了贵金属Pt和电子牺牲剂甲醇，其中加入贵金属Pt的目的是增加NaNb_xTa_1-xO₃表面的产氢活性位点，抑制光生电子-空穴对的复合；而加入电子牺牲剂甲醇的目的在于消耗NaNb_xTa_1-xO₃产生的空穴，使反应向有利于生成氢气的方向进行。为了最大限度的给NaNb_xTa_1-xO₃提供紫外光，使其光催化效率得到大幅度的提高，本发明，利用宽波短光谱吸收上转换紫外发光材料Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li，通过最大限度地把太阳光中的可见光转变成紫外光的原理来制备具有更高光催化水解制氢性能的新型Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃光催化剂。

本发明的有益效果：本发明制备了一种新型的自组装高效光催化剂(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃)，此催化剂性质稳定，耐高温，有较高的光电转换效率，与单纯的Pt-NaTaO₃相比，此催化剂在太阳光的照射下水解制氢的效率有了大幅度提高。值得关注的是在上转换发光材料(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li)的加入下，使Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃纳米光催化剂不仅可以吸收紫外光，还可以将吸收的可见光转化为紫外光，提高光催化制氢活性。为了更好地利用转化来的不连续的紫外光，通过加入不同比例的Nb来调节NaTaO₃的带隙，使NaNb_xTa_1-xO₃的吸收光与转换发光材料(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li)的发射光实现完美对接。可以大幅度的提高NaTaO₃光催化水解制氢的效率。

附图说明

图1是X粉末衍射(XRD)图；

其中，a：Pt-NaTaO₃；

b-d：x＝0，0.25，0.5；Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_xTa_1-xO₃的质量比为0.4:1.0；

e-k：x＝0.5；Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_0.5Ta_0.5O₃的质量比分别为1.0:0.0，0.0:1.0，0.2:1.0，0.4:1.0，0.6:1.0，0.8:1.0，1.0:1.0。

图2是扫描电镜(SEM)照片。

图3是能量弥散X射线分析(EDAX)图片。

图4a是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4b是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Ta 4f)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4c是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Li 1s)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4d是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Si 2p)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4e是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Y 3d)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4f是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Nd 3d)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4g是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(O 1s)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4h是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Na 1s)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4i是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Pr 3d)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图4j是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Pt 4f)的X射线光电子能谱(XPS)图片。

图5a是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的紫外可见吸收光谱图片。

图5b是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的光致发光谱(PL)(482nm)图片。

图5c是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的光致发光谱(PL)(443nm)图片。

图6是光照时间对光催化分解水制氢的影响。

图7是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_0.5Ta_0.5O₃不同质量比对光催化分解水制氢效率的影响。

图8是催化剂光催化分解水制氢重复使用次数图。

具体实施方式

实施例1自组装高效光催化剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃

(一)自组装高效光催化剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃(x＝0)

(1)上转换紫外发光材料Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li纳米粉末的制备

取(2.9308g)Y₂O₃粉末和(0.05972g)Pr₆O₁₁粉末加入到过量浓硝酸中，磁力加热搅拌直至无色透明，蒸发出多余的浓硝酸。取(0.6048g)LiNO₃，(10mL)乙醇和(4mL)蒸馏水加入上述溶液中，然后再加入(4.0mL)四乙氧基硅烷，在室温下磁力搅拌10min，然后升温到70℃，加热搅拌至溶液呈透明凝胶，将透明凝胶放入烘箱，恒温104℃加热17h，进行烘干得干凝胶，将得到的干凝胶在马弗炉中1000℃加热煅烧3h，冷却至室温，研磨，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li纳米粉末。

(2)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaTaO₃纳米粉末的制备

称取(0.876g)Ta₂O₅固体粉末和(1.6g)NaOH固体加入到(20mL)蒸馏水中，搅拌1.0h，加入(0.4285g)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li固体粉末，继续搅拌1.0h。将所得悬浊液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下恒温反应15.0h，冷却至室温，得到的产物分别用去离子水和乙醇洗涤5次，最后在80℃烘干12h，将得到的固体粉末充分研磨，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaTaO₃纳米粉末。

(3)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃纳米光催化剂的制备

于(1.0g)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaTaO₃纳米粉末中加入(40mL)甲醇，在室温下超声分散30min。然后向所得的混合物中加入(4.0mL)H₂PtCl₆·H₂O，并在室温下超声分散30min，随后加热煮沸30min，待溶液冷却至室温后，在120℃干燥4.0h至溶剂全部蒸干为止，将所得的固体混合物充分研磨，随后在300℃煅烧3.0h，冷却至室温，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃纳米粉末。

(二)自组装高效光催化剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.25Ta_0.75O₃(x＝0.25)

(1)上转换紫外发光材料Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li纳米粉末的制备

同(一)

(2)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_0.25Ta_0.75O₃纳米粉末的制备

称取(0.720g)Ta₂O₅固体粉末、(0.133g)Nb₂O₅固体粉末和(1.6g)NaOH固体加入到(20mL)蒸馏水中，搅拌1.0h，加入(0.4285g)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li固体粉末，继续搅拌1.0h。将所得悬浊液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下恒温反应15.0h，冷却至室温，得到的产物分别用去离子水和乙醇洗涤5次，最后在80℃烘干12h，将得到的固体粉末充分研磨，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_0.25Ta_0.75O₃纳米粉末。

(3)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.25Ta_0.75O₃纳米光催化剂的制备

于(1.0g)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_0.25Ta_0.75O₃纳米粉末中加入(40mL)甲醇，在室温下超声分散30min。然后向所得的混合物中加入(4.0mL)H₂PtCl₆·H₂O，并在室温下超声分散30min，随后加热煮沸30min，待溶液冷却至室温后，在120℃干燥4.0h至溶剂全部蒸干为止，将所得的固体混合物充分研磨，随后在300℃煅烧3.0h，冷却至室温，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.25Ta_0.75O₃纳米粉末。

(三)自组装高效光催化剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(x＝0.5)

(1)上转换紫外发光材料Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li纳米粉末的制备

同(一)

(2)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_0.5Ta_0.5O₃纳米粉末的制备

称取(0.530g)Ta₂O₅固体粉末、(0.319g)Nb₂O₅固体粉末和(1.6g)NaOH固体加入到(20mL)蒸馏水中，搅拌1.0h，加入(0.4285g)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li固体粉末，继续搅拌1.0h。将所得悬浊液倒入50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下恒温反应15.0h，冷却至室温，得到的产物分别用去离子水和乙醇洗涤5次，最后在80℃烘干12h，将得到的固体粉末充分研磨，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_0.5Ta_0.5O₃纳米粉末。

(3)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃纳米光催化剂的制备

于(1.0g)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/NaNb_0.5Ta_0.5O₃纳米粉末中加入(40mL)甲醇，在室温下超声分散30min。然后向所得的混合物中加入(4.0mL)H₂PtCl₆·H₂O，并在室温下超声分散30min，随后加热煮沸30min，待溶液冷却至室温后，在120℃干燥4.0h至溶剂全部蒸干为止，将所得的固体混合物充分研磨，随后在300℃煅烧3.0h，冷却至室温，得到Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃纳米粉末。

(四)检测

(1)Pt-NaTaO₃，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃(x＝0,0.25,0.5)，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃不同质量比的X粉末衍射(XRD)图片分析

通过X粉末衍射(XRD)图(图1(a-d)发现，Pt-NaTaO₃与标准NaTaO₃的XRD谱图(ICSD no.98-001-1550)基本一致并且无任何杂峰，说明制备的NaTaO₃比较纯净，无杂质。而Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃的XRD谱图中特征峰的峰强度明显变弱，并且在Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li特征衍射峰位子有小的杂峰出现，说明在Pt-NaTaO₃中存在着Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li。同时随着Nb的加入，2θ＝22.90°和2θ＝40.20°特征峰越来越平缓，说明少量的Nb进入了NaTaO₃的晶格，形成了NaNb_xTa_1-xO₃。

通过(图1(e-k))可以发现，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与标准Y₂SiO₅的XRD谱图(JCPDS:36-1476)基本吻合。随着向NaNb_0.5Ta_0.5O₃中加入Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的量不断增多，可以发现谱图中不仅出现了NaNb_0.5Ta_0.5O₃的特征衍射峰，还出现了Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的特征衍射峰，而且Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的特征衍射峰越来越明显。说明Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃中不仅存在NaNb_0.5Ta_0.5O₃还同时存在Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li，而且Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的量不断增多。

(2)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li，Pt-NaTaO₃，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃的扫描电镜(SEM)照片分析

如图2所示，由Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的扫描电镜照片可以看出，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li是一种不规则的椭球形的微晶。由Pt-NaTaO₃扫描电镜照片可以看到粒径大约为200nm的均匀的立方状构型，属于NaTaO₃的典型的晶状。NaTaO₃纳米粒子的表面有颜色较浅的颗粒物。说明Pt粒子附着在了NaTaO₃纳米粒子的表面。扫描电镜照片Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃中在立方状的NaTaO₃纳米粒子的表面除了有颜色较浅的Pt颗粒物外，还附着着颗粒较大的球状粒子，说明Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaTaO₃纳米粒子复合在了一起。同时可以看到明显的团聚现象，可能是由于后处理的结果。此外，扫描电镜照片图Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃和图片Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃对比可以看出，它们有同样大小的粒径，但是在Nb加入后可以更好地维持立方状形态。

(3)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃的能量弥散X射线分析(EDAX)图片分析

如图3所示，由Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li能量弥散X射线分析图片可以看出，Y、Si、O、Pr元素的特征峰组成了上转光剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的特征峰。图中未看到Li元素的特征峰，可能是由于Li元素的含量特别少或者被其他峰掩盖。此外，图中给出的原子比与Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li中各原子的原子比基本一致，说明制备得到的上转光剂就是Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li。

由Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃能量弥散X射线分析图片可以看出，制备的催化剂中包含了Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li、Pt和NaTaO₃，通过计算，催化剂中每种物质的物质的量与当初的投料比基本一致。

由Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃能量弥散X射线分析图片可以看出，制备的催化剂中包含了Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li、Pt和NaNb_0.5Ta_0.5O₃，通过计算，催化剂中每种物质的物质的量与当初的投料比基本一致。

(4)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃的X射线光电子能谱(XPS)图片分析

如图4a-图4j所示，由X射线光电子能谱图片(图4a)可以看出，此催化剂包含Y、Si、O、Pr、Li、Pt、Na、Nb和Ta元素。X射线光电子能谱图片(图4b～j)表明了Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-Na Nb_0.5Ta_0.5O₃中各元素的化合价和键合情况。X射线光电子能谱(图4f)在206.0eV和206.3eV出峰证明Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃中存在Nb⁵⁺，说明Nb⁵⁺替代了Ta⁵⁺进入了NaTaO₃的晶格，与合成的催化剂情况相符。

(5)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的紫外可见吸收光谱(UV-Vis)图片和光致发光谱(PL)图片分析

如图5a-5c所示，由紫外可见吸收光谱图片(图5a)可以发现在443nm和482nm有两个较明显的吸收峰。表明此上转换发光材料Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li在可见光区(400nm～800nm)有吸收，可以吸收可见光。

紫外可见吸收光谱图片(图5b，5c))展示了Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li分别在443nm和482nm的激发下的发射光谱，发射光谱在220-320nm出现了不连续的显著的发射峰。表明上转换发光材料Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li能够吸收可见光而发射紫外光，可以有效地将可见光转化为紫外光。

实施例2自组装高效光催化剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃在光催化水解制氢中的应用

(一)光照时间对光催化分解水制氢的影响

实验条件：200mg的Pt-NaTaO₃(铂的负载量为0.25％)纳米粉末、280mg的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃(x＝0,0.25,0.5)(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_xTa_1-xO₃的质量比为3:7，铂的负载量为0.25％)纳米粉末和500mL的甲醇水溶液(10％)。在温度25℃和压力101325Pa下，用4个105W的三基色(红，黄，绿)灯模拟太阳光进行光照，光照强度为10.0mW·cm^-2，光照时间0.0-5.0h。

结果如图6所示，随着光照时间的延长，Pt-NaTaO₃与Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_xTa_1-xO₃(x＝0,0.25,0.5)光催化分解水制得H₂的量也随之增加，Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaTaO₃产生H₂的量明显多于Pt-NaTaO₃产生H₂的量，由此可见，加入上转换发光材料(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li)可以大幅度的提高光催化分解水制氢的效率。同时，随着Nb的加入产生H₂的量也在增加，在本实验中当x＝0.5时产氢量达到最大，所以Nb的加入也可以大幅度提高光催化分解水制氢的效率。

(二)Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li的不同加入量对光催化分解水制氢效率的影响

实验条件：200mg、240mg、280mg、320mg、360mg、400mg的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃纳米粉末(对应的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_0.5Ta_0.5O₃的质量比为0.0:1.0，0.2:1.0，0.4:1.0，0.6:1.0，0.8:1.0和1.0:1.0)和500mL的甲醇水溶液(10％)。在温度25℃和压力101325Pa下，用4个105W的三基色(红，黄，绿)灯模拟太阳光进行光照，光照强度为10.0mW·cm^-2，光照时间5.0h。

结果如图7所示，随着Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃纳米光催化剂中Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li含量的不断增加，光催化分解水制得H₂的量先增加后减少，当Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_0.5Ta_0.5O₃的质量比为0.4:1.0时，产生H₂的量最多。说明适当的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_0.5Ta_0.5O₃的比例可以大幅度的提高光催化剂的活性，使光催化水解制得氢气的量大幅度增加。

(三)重复利用性考察

280mg的Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li与NaNb_0.5Ta_0.5O₃的质量比为0.4:1.0，铂的负载量为0.25％)纳米粉末和500mL的甲醇水溶液(10％)。在温度25℃和压力101325Pa下，用4个105W的三基色(红，黄，绿)灯模拟太阳光进行光照，光照强度为10.0mW·cm^-2，光照时间0.0-4.0h。记下氢气的产量，放出氢气，避光一小时，再重复上述实验三次。

结果如图8所示，随着Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(0.4:1.0)的重复利用次数的增加，产生H₂的量稍有减少，几乎不影响H₂的产量。所以可见光光催化剂Y₂SiO₅:Pr³⁺,Li/Pt-NaNb_0.5Ta_0.5O₃(0.4:1.0)性质较稳定，重复利用性良好。