[发明专利]一种可见光响应水分解制氢纳米光催化剂及用途

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光催化制氢领域，特别涉及一种具有可见光响应的光催化分解水制氢纳米复合材料及用途。 

背景技术

氢能源是高效的绿色能源，如何高效低成本规模化的制取氢气是制约其应用的一个关键因素，在众多的制氢技术中，利用取之不竭的太阳能直接光催化分解水产生氢气是最廉价环保和最有前景的途径。因此自从上世纪70年代出现以来，一直受到日本、美国、欧盟等发达国家的高度关注，相关研究论文和专利数以千计，如何获得高效稳定低廉的光催化剂和设计光催化体系及相关的理论研究是学术界和工业界关注的核心。迄今为止，尽管以二氧化钛为代表的纳米半导体光催化剂得到最广泛和最深入的研究，但是由于难以兼顾可见光(占太阳光谱的43％)吸收、光化学稳定性和光量子转化效率等因素，这一领域距离实际商业化应用仍有很大距离，因此近年来，对传统半导体光催化剂的改性和复合材料的设计构建，以实现可见光响应及光生电子和空穴的高效分离、转移、传输，成为该领域主要的研究方向。 

对于目前最重要的半导体光催化剂二氧化钛而言，染料敏化是一种简单的可见光响应改性方法，但是传统的敏化或复合途径多需高温、高沸点有机试剂或浓酸浓碱的参与，既不环保节能也不安全，并且染料分子在二氧化钛表面的吸附存在易脱落、缺陷多、载流子传输不畅等一系列缺陷，另外已报道的较佳的敏化剂多为稀有金属(如钌等)的配合物，它们本身制备过程复杂且昂贵，不适于推广应用，因此寻找廉价易得、光化学稳定、可见光响应好和高效的染料敏化剂，以及设计新型的复合体系显得十分迫切和必要。 

本发明提供了一种可见光响应水分解制氢纳米光催化剂，基于一类具有优异光、热、化学稳定性的有机半导体分子，巧妙地将它们的超分子自组装优势和电子供体-电子受体(D-A)型分子结构设计理念，与传统半导体光催化剂二氧化钛和典型的助催化剂金属铂有效结合，构建了一种新的可见光响应一维纳米半导体纤维复合材料，以此作为光催化剂，成功实现了在光催化分解水制氢领域的应用。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光响应水分解制氢纳米光催化剂，该催化剂是以一维有机半导体纳米纤维(4)为骨架，表面包覆无机半导体纳米层(2)，并均匀负载金属纳米颗粒(3)后构建的纳米复合物。其中有机半导体纳米纤维通过光化学稳定并具有D-A 结构和可见光响应的苝二酰亚胺及其扩环衍生物，萘二酰亚胺衍生物或六苯并苯二酰亚胺衍生物的超分子自组装制备，然后直接在体相有机溶液中原位负载二氧化钛，并在光催化水溶液体系中紫外光还原沉积铂，成功进行牺牲试剂水溶液体系中可见光催化分解水制氢。该催化剂结构新颖、价廉易得、制备过程简单环保耗能低，适于规模制备，为目前太阳能光催化水分解制氢领域提供一种新的纳米光催化材料构建方法和结构，具有现实和广阔的应用前景，同时为构建可见光响应的高效光催化剂提供了新的思路和重要借鉴，以改善传统半导体材料较差的太阳光利用和敏化剂低效问题。 

本发明的另一目的是该可见光响应水分解制氢纳米光催化剂在光催化制氢中的用途。本发明所述的催化剂在牺牲试剂甲醇或三乙醇胺的水溶液中，以氙灯作为光源，成功用于可见光(1)下分解水制取氢气。 

本发明所述的一种可见光响应水分解制氢纳米光催化剂，该光催化剂是以一维有机半导体纳米纤维(4)为骨架，表面包覆无机半导体纳米层(2)，并均匀负载金属纳米颗粒(3)后构建的纳米复合物。 

所述的一维有机半导体纳米纤维(4)骨架是以π-共轭的有机分子为原料，无水三氯甲烷和无水甲醇，无水乙醇或无水正己烷为溶剂，采用体相超分子自组装方法制备。 

所述的π-共轭的有机分子为苝二酰亚胺、苝二酰亚胺扩环衍生物、萘二酰亚胺衍生物或六苯并苯二酰亚胺衍生物。