[发明专利]铁锰石墨烯三元光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可见光分解制氧光催化剂及其制备，具体涉及一种铁锰石墨烯三元光催化剂及其制备方法，属于高性能光催化剂领域。

背景技术

随着对煤、石油、天然气等矿物能源的大量开采和使用，世界面临化石能源枯竭、环境污染等问题。开发新的、可再生的清洁能源已成为关系人类生存和可持续发展的重大课题。在诸如风能、潮汐能、地热、氢能等众多清洁能源中，由于氢气具有高热值、环境友好、运输方便的特点，被视为最理想的二次能源载体。目前，约96%的氢气依赖于化石燃料的重整来获得，但是此种方法并未从根本上解决能源匮乏和环境污染的问题。通过光催化分解水，将水分解为氢气和氧气，是将太阳能转化为化学能的有效途径。

光催化分解水的反应包含水的还原生成氢气和水的氧化生成氧气两个半反应。水的氧化生成氧气半反应是一个四电子反应，从动力学角度看该半反应的速度是制约光催化分解水全反应的瓶颈。因此，获得一种可以有效实现光催化水氧化生成氧气半反应催化剂尤为重要。

目前开发的光催化剂制氧主要集中于 TiO₂、WO₃等半导体化合物，但由于其活性低以及抗光腐蚀性差等问题，极大的限制了催化材料的应用和发展。

铁在地壳中含量丰富，铁氧化物具有易于获得、稳定、带隙较小、光吸收范围大、环境友好等特点， 是目前研究的半导体光催化剂中的佼佼者；但是铁氧化物仍具有过电位大、主载流子传输性能差、载流子扩散距离短等缺点。Mn₃O₄是锰氧化物中一种具有复合价态的氧化物，它作为化学催化剂广泛应用于化学氧化和还原反应过程中。

另外，石墨烯 ( 或还原氧化石墨烯，r-GO)具有特殊的二维结构、大的比表面积、很强的机械性能、优越的导电性以及高的化学和热稳定性。基于这些优点，石墨烯在光催化，锂电池以及能量转换等领域具有很大的应用前景。近来，已有报道将二氧化钛纳米管，三氧化钨纳米棒以及氧化锌空心纳米球成功地结合到石墨烯上制备催化剂；但是现有技术尚未公开将铁氧化物、锰氧化物与石墨烯复合得到稳定高活性的三元复合光催化剂的报道。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种铁锰石墨烯三元光催化剂，其具有过电位小、电荷分离效率高、催化活性和稳定性好的优点。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种铁锰石墨烯三元光催化剂，由活性成分I、活性成分II和电子传输体组成；其中，活性成分I为α-型三氧化二铁纳米棒；活性成分II为四氧化三锰纳米粒子；电子传输体为采用还原法对氧化石墨烯还原而得到的还原氧化石墨烯；

其中活性成分I、活性成分II和电子传输体的质量百分比为：

活性成分I   85～98.5% 

活性成分II  0.5～10% 

电子传输体  余量。

优选的技术方案中，所述活性成分I、活性成分II和电子传输体的质量百分比为：

活性成分I    96%

活性成分II   1%

电子传输体   余量。

上述技术方案中，所述α-型三氧化二铁纳米棒棒长300～400 nm，直径70～100 nm；所述四氧化三锰纳米粒子直径30～50 nm；所述还原氧化石墨烯的厚度为2.6～3.2nm。

本发明首先通过溶剂热法制备α-Fe₂O₃纳米棒，然后利用二次溶剂热法将四氧化三锰修饰在α-Fe₂O₃表面形成复合半导体（铁锰二元复合氧化物）；最后还原氧化石墨烯（r-GO）通过静电自组装的方式与Mn₃O₄纳米粒子修饰的α-Fe₂O₃纳米棒复合半导体结合形成三元复合物而得到铁锰石墨烯三元光催化剂。具体制备铁锰石墨烯三元光催化剂的方法包括如下步骤：

(1) α-型三氧化二铁纳米棒的制备