一种光热联用催化剂及其制备方法与应用

本发明属于催化制氢材料，具体涉及一种光热联用催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、利用太阳能光催化分解水制氢是解决当今全球能源危机和环境污染问题的有效途径。在“双碳目标”背景下，绿色氢能的开发及便捷的应用更是具有迫切性。尽管近几十年来光催化制氢方面的研究取得了长足进步，但仍达不到工业应用的要求，最大的障碍是太阳能利用率低和制氢成本高。大多数光催化剂仅能受紫外或部分可见光激发，而占最重要比例的红外光因光子能量低，无法激发催化剂价带上的电子，在光催化领域中长期被忽略，导致太阳光利用率低。再者，太阳光中紫外光占比低，大部分催化剂需使用led灯源或氙灯光源激发，增加了能耗和成本。而且产氢系统设计不合理、光学玻璃做工不精细等导致大量入射光子被散射和透射，亦是太阳光利用率低的一大原因。因此，最大限度地利用太阳能，使各个波段的光子都能发挥其最大优势是太阳能分解水制氢走向实际应用的主要挑战。

2、将光催化与光热效应联用可以有效利用太阳光全光谱，使不足以直接驱动光催化反应的低能可见光和红外光子提高光热协同作用，提高光催化效率，以实现太阳能的高效利用。目前研究较多的光热协同体系多为在催化剂表面嵌入等离子体金属颗粒、将催化剂与碳材料复合形成以碳为核的核壳结构。虽然金属颗粒的等离共振效应和碳材料的光热效应都能有效地将低能光子转化为热能以促进光催化反应，但存在于催化剂表面的金属颗粒会阻碍催化剂接收入射光子，位于中心的碳材料存在光热转化效率低等问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺点，本发明提出一种光热联用催化剂及其制备方法与应用。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种光热联用催化剂的制备方法，包括如下步骤：

3、将光催化材料与粘合剂分散于溶剂中，充分搅拌得到混合物a；将光热材料的一面浸于混合物a中，然后取出光热材料依次进行烘干、固化，得到光热联用催化剂；所述光热材料为碳布、镍泡沫或碳泡沫。

4、作为本发明的优选实施方案，所述光催化材料为cusa/tio2材料、cu/zns材料或c3n4/cdzns材料。

5、cusa/tio2材料为单原子cu与tio2的复合物，cu/zns材料为单质cu与zns的复合物，c3n4/cdzns材料为c3n4与cdzns的复合物。

6、作为本发明的优选实施方案，粘合剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、聚羟亚烃二丙烯酸二乙二醇酯、氧化海藻酸盐甲基丙烯酸酯、明胶丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸透明质酸中的至少一种。

7、作为本发明的优选实施方案，所述光催化材料与粘合剂的质量比为1：(0.2～20)。

8、作为本发明的优选实施方案，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、二氯甲烷、环己烷中的至少一种。

9、作为本发明的优选实施方案，所述溶剂体积与光催化材料和光热材料总质量的比值为(1-500)ml：(1-1000g)。

10、作为本发明的优选实施方案，所述固化方式为uv烘烤或热处理；uv烘烤的时间为30-120min；热处理的温度为50-500℃，时间为20-100min，热处理的气氛为空气、氮气、氩气、氢气的一种或两种的混合。

11、本发明还要求保护所述光热联用催化剂的制备方法制备的光热联用催化剂。

12、所述光热联用催化剂为光催化材料薄膜附着在光热材料的一面。

13、所述光热材料的平面尺寸为(0.01-1m)*(0.01-1m)，厚度为0.5-20mm，光催化材料薄膜的平面尺寸等于光热材料的平面尺寸，保证光催化材料薄膜能够完全覆盖光热材料的平面尺寸，光催化材料薄膜的厚度为10-2000μm。

14、本发明还要求保护所述光热联用催化剂在光催化制氢中的应用，包括以下步骤：

15、将光热联用催化剂放入反应液中，光热联用催化剂中的光催化剂薄膜一面面向光源进行制氢。

16、光源能够发出紫外光、或可见光到红外光波段或者全波段光。

17、所述反应液为水和空穴牺牲剂，水和空穴牺牲剂的体积比为1：(0.1-0.8)；光热联用催化剂的尺寸按反应容器和反应场景而定。

18、所述空穴牺牲剂根据光催化材料的种类选择，包括甲醇、三乙醇胺、亚硫酸钠、硫化钠或抗坏血酸。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将光催化材料机械附着在轻质的光热材料的单面，利用光催化材料和光热材料的协同作用，光热材料的光热转化效应为光催化材料提供热源，从而降低活化能、提高载流子迁移率、提高能质传输速率，实现高效的太阳能捕获和转换，获得高效率低成本的全光谱响应光热催化技术，并且光热材料为光催化材料输送水分，两者协同充分利用太阳光中各个波段的光子，特别是能量较低的可见光及红外光，在同等光强下，获得更高的制氢效率并降低制氢成本。并且本发明光热联用催化剂的尺寸可以依照实际应用来选取，很容易扩大、也容易量产，离工业化也更进。

技术特征：

1.一种光热联用催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述光热联用催化剂的制备方法，其特征在于，所述光催化材料为cusa/tio2材料、cu/zns材料或c3n4/cdzns材料；光催化材料与粘合剂的质量比为1：(0.2～20)；所述光催化材料与光热材料的质量比为1：(0.5～80)。

3.如权利要求1所述光热联用催化剂的制备方法，其特征在于，所述粘合剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、聚羟亚烃二丙烯酸二乙二醇酯、氧化海藻酸盐甲基丙烯酸酯、明胶丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸透明质酸中的至少一种。

4.如权利要求1所述光热联用催化剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、二氯甲烷、环己烷中的至少一种。

5.如权利要求1所述光热联用催化剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂体积与光催化材料和光热材料总质量的比值为(1-500)ml：(1-1000)g。

6.如权利要求1所述光热联用催化剂的制备方法，其特征在于，所述固化方式为uv烘烤或热处理；uv烘烤的时间为30-120min；热处理的温度为50-500℃，时间为20-100min，热处理的气氛为空气、氮气、氩气、氢气的一种或两种的混合。

7.权利要求1-6任一项所述光热联用催化剂的制备方法制备的光热联用催化剂。

8.如权利要求7所述光热联用催化剂，其特征在于，所述光催化材料作为薄膜附着在光热材料上表面构成光热联用催化剂。

9.如权利要求8所述光热联用催化剂，其特征在于，所述光热材料的平面尺寸为(0.01-1m)*(0.01-1m)，厚度为0.5-20mm；光催化材料薄膜的平面尺寸与光热材料的平面尺寸相同，厚度为10-2000μm。

10.如权利要求9所述光热联用催化剂在光催化制氢中的应用，其特征在于，包括以下步骤：将光热联用催化剂放入反应液中，光热联用催化剂中的光催化剂薄膜一面面向光源进行制氢。

技术总结
本发明公开一种光热联用催化剂及其制备方法与应用，属于催化制氢材料技术领域。所述方法包括如下步骤：将光催化材料与粘合剂分散于溶剂中，充分搅拌得到混合物A；将光热材料的一面浸于混合物A中，然后取出光热材料依次进行烘干、固化，得到光热联用催化剂；所述光热材料为碳布、镍泡沫或碳泡沫。本发明利用光热材料的光热转化效应为光催化材料提供热源，同时输送水分，两者协同作用降低活化能、提高载流子迁移率、提高能质传输速率，实现高效的太阳能捕获和转换，充分利用太阳光中各个波段的光子，特别是能量较低的可见光及红外光，在同等光强下，获得更高的制氢效率并降低制氢成本。

技术研发人员：周桐,柳清菊,张裕敏,张瑾
受保护的技术使用者：云南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1