[发明专利]氮掺杂石墨烯复合半导体纳米粒子的光催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光功能催化材料技术领域，涉及一种用于光催化分解水制备氢气的催化剂及其制备方法，具体涉及一种用于光催化分解水产生氢气的氮掺杂石墨烯（全文简称NGR）复合半导体纳米粒子的光催化剂及其制备方法。

背景技术

随着世界人口的不断增加和工业化水平提高，人类对煤、石油、天然气等矿物能源的使用规模日益增大。大量开采和使用矿物能源，使得不可再生的矿石能源日趋枯竭，地球环境也在不断恶化中。开发新的、可再生的清洁能源成为关系人类生存和可持续发展的重大课题。氢气具有清洁、高效、高热值、环境友好、运输方便等特点，是理想的二次能源载体。目前使用的氢气中，大约有96%氢气是通过煤、重油或天然气重整反应来获得的。由于这种方法依然依赖矿石能源的消耗并且带来环境污染，所以化石燃料制氢不能解决能源短缺和环境污染问题。利用太阳能光催化分解水制氢是将太阳能转化为化学能的最佳途径，受到了国内外科学家的高度关注。利用太阳能光催化分解水制氢的关键问题是获得高效、稳定的光催化反应催化剂。目前研究的光催化反应催化剂有半导体催化剂、有机金属络合物催化剂或其它有机/无机复合催化剂，提高催化剂的光催化效率是利用太阳能光催化分解水制氢的关键。

近几年来，石墨烯与半导体复合光催化剂已有广泛的报道。复合物中石墨烯大部分都是氧化石墨烯（简称为GO）经化学还原得到还原氧化石墨烯（简称为RGO）。虽然RGO的导电率得到了部分的恢复，但是在RGO的表面仍然会残留一些含氧官能团。并且GO在制备过程中形成的结构缺陷在还原过程中并不能消除，导致RGO的导电性与完美的石墨烯相比还差很多。此外，由于石墨烯表面和半导体纳米颗粒之间没有直接的官能团相连，因此两者的界面接触力主要是物理作用。因此增加石墨烯的导电性、石墨烯与半导体的接触面和作用力，对提高光催化产氢活性具有重要的意义。

贵金属（如Pt）纳米粒子通常用来作为光催化分解水产氢的助催化剂。贵金属的费米能级一般低于半导体催化剂的导带能级，所以光激发下迁移到半导体催化剂表面的电子易被贵金属助催化剂捕获，达到光生电荷有效分离；同时贵金属活性位点具有较低的析氢电势。因此，经贵金属纳米粒子修饰后的半导体催化剂具有较高的光催化反应活性。但是贵金属纳米粒子在催化反应过程中往往会在催化剂表面聚集或流失，从而引起催化活性降低。因此需通过提高贵金属纳米粒子与催化剂表面的相对作用力来获得具有稳定光催化性能的半导体催化剂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纳米粒子粒径小且分布均匀、催化活性高、稳定性好、使用周期长的用于光催化分解水产生氢气的NGR复合半导体二氧化钛纳米粒子的光催化剂及其制备方法。

为了实现上述的目的，发明人公开了一种NGR与半导体TiO₂纳米粒子形成的作为光催化剂的TiO₂/NGR复合物，所述的TiO₂/NGR复合物包括90～99wt%的TiO₂纳米粒子和余量的NGR，NGR为载体，TiO₂纳米粒子均匀分布负载在NGR二维平面上。

优选的，所述的TiO₂纳米粒子平均粒径为10～20nm。

采用溶剂热法制备上述的TiO₂/NGR复合物：

将0.05～0.5mol/L的钛酸四丁酯乙醇溶液在搅拌下缓慢滴加到0.05～0.5g/L的NGR分散液中，室温搅拌均匀后转移至高压反应釜中，在120～220℃下反应5～15h，自然降至室温，离心分离后，灰色固体依次用蒸馏水和乙醇洗涤，然后烘干。

优选的，所述的高压反应釜内衬为聚四氟乙烯。

为了进一步提高光催化产氢的活性和稳定性，用少量铂纳米粒子修饰上述的TiO₂/NGR复合物，形成TiO₂/NGR/Pt复合物，所述的TiO₂/NGR/Pt复合物包括90～99wt%的TiO₂、0.1～1.5wt%的Pt纳米粒子和余量的NGR，Pt纳米粒子均匀分布负载在TiO₂/NGR复合物二维平面上。

优选的，所述的Pt纳米粒子平均粒径为5～10nm。

采用光沉积的方法制备负载Pt纳米粒子的TiO₂/NGR复合物光催化剂：