光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法与流程

本发明涉及光催化分解水制氢材料领域，具体地，涉及一种光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法。

背景技术：

1、氢作为一种能量密度高、储运性良好且绿色环保的能源载体，被认为是今后理想的无污染可再生替代能源。20世纪60年代末，日本学者fujishima和honda发现光照n型半导体tio2电极可使水分解产生氢气，使人们认识到利用半导体光催化反应能够直接将太阳能转化为氢能，用于光分解水产氢用的半导体光催化材料的研究也逐渐热门。

2、tio2基光催化材料是目前研究最多的半导体光催化材料，但是其具有较宽的禁带，因此只能利用小部分可见光和大部分紫外光谱，而太阳光谱能量中紫外光谱所占比例仅有3％，导致tio2基光催化材料的可见光吸收效率较低。除此之外，tio2基光催化材料的光生电子空穴也较容易复合，导致反应效率低下，产氢速率不理想，从而阻碍了半导体光催化分解水制氢的应用。随着研究的进展，除ti之外的很多金属氧化物(例如氧化锌、钴氧化物等)半导体也被发现具有光催化活性，能够用于光催化分解污染物等应用途径，但是，由于带隙宽度和位置的限制以及光生电子和空穴的快速复合等问题，使其并不具有光催化全水解催化性能，或者必须在应用了甲醇、乙醇、乙二胺等牺牲剂或贵金属助催化剂的情况下才能表现出一定的光催化全水解催化性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的现有半导体光催化材料的可见光利用率低、产氢速率不理想，且并非所有具有光催化活性的半导体材料均能用于光催化全水解反应等问题，提供一种光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法。本发明提供的光催化剂通过zno和钴氧化物形成紧密结合的异质结，可以加快光生电子和空穴的传输和分离效率，从而在无需额外添加牺牲剂的情况下即具有全水解催化性能。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光催化剂，所述催化剂包括基体材料以及依次负载于所述基体材料表面的zno薄膜和异质结薄膜，所述异质结薄膜包括zno和co氧化物。

3、本发明第二方面提供一种制备光催化剂的方法，所述方法包括以下步骤：

4、(1)将基体材料浸入第一zn前驱体溶液中，而后取出依次进行干燥和第一焙烧，获得第一焙烧产物；

5、将所述第一焙烧产物浸入第二zn前驱体溶液中，进行第一水热反应，获得表面覆有zno薄膜的基体材料；

6、(2)将所述表面覆有zno薄膜的基体材料浸入co前驱体溶液中，依次进行第二水热反应和第二焙烧，获得所述光催化剂。

7、本发明第三方面提供根据如上所述的方法制备获得的光催化剂。

8、本发明第四方面提供如前所述的光催化剂在光催化全水解制氢中的应用。

9、本发明第五方面提供一种制备氢气的方法，该方法包括将水与如前所述的光催化剂接触，在光催化制氢条件下分解水获得氢气。

10、通过上述技术方案，本发明能够取得如下有益效果：

11、(1)本发明提供的光催化剂通过将本不具有光催化全水解催化性能的zno和钴氧化物相结合，制成具有zno-钴氧化物异质结的半导体光催化材料，使其在不需要加入牺牲剂，也不需要贵金属助催化剂的情况下，仅以纯水为原料即可发生光催化分解水制氢反应；

12、(2)本发明提供的光催化剂制备方法简单，原料易得，适合工业化大规模生产应用。

技术特征：

1.一种光催化剂，其特征在于，所述催化剂包括基体材料以及依次负载于所述基体材料表面的zno薄膜和异质结薄膜，所述异质结薄膜包括zno和co氧化物。

2.根据权利要求1所述的光催化剂，其中，所述基体材料选自玻璃、有机聚合物基底和金属材料中的至少一种；

3.一种制备光催化剂的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(1)中，所述第一zn前驱体溶液选自醋酸锌的乙醇溶液；

5.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(1)中，所述第二zn前驱体溶液选自硝酸锌和六亚甲基四胺的水溶液；

6.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(2)中，所述co前驱体溶液选自水溶性钴盐的水溶液，优选为硝酸钴的水溶液；

7.根据权利要求3-6中任意一项所述的方法制备获得的光催化剂。

8.权利要求1、2或7所述的光催化剂在光催化全水解制氢中的应用，尤其是利用光催化全水解制氢中的应用。

9.一种制备氢气的方法，其特征在于，该方法包括将水与权利要求1、2或7所述的光催化剂接触，在光催化制氢条件下分解水获得氢气。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述光催化制氢条件包括：光谱范围200-800nm，光强度300-500w。

技术总结
本发明涉及光催化分解水制氢材料领域，公开了一种光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法。本发明提供的光催化剂制备方法简单，原料易得。而且，本发明提供的光催化剂不需要贵金属助催化剂，能够在不加入牺牲剂的情况下仅以纯水为原料发生光催化分解水制氢反应。

技术研发人员：冯英杰,刘东兵,邬娇娇,王定博,冯静
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12