[发明专利]一种上转光纳米光催化剂及其在可见光水解制氢中的应用

说明书

技术领域

 本发明属于光催化水解制氢领域，具体地涉及一种具有可见光高光催化活性的上转换紫外发光材料（Er³⁺:Y₃Al₅O₁₂）与纳米铌酸钾（KNbO₃）复合同时负载贵金属铂(Pt)的纳米光催化剂及其在可见光水解制氢中的应用。

背景技术

随着现代经济的高速发展及世界人口的迅猛增长，人类对能源的需求越来越旺盛。虽然煤、石油、天然气等化石燃料在当前的能源结构中仍占有很大比例，但是化石燃料的使用给环境带来了严重的污染，甚至威胁到了人类的健康和生存；更重要的是，由于化石燃料是一种有限、不可再生的资源，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。因此，开发和利用清洁、高效的可再生能源是当前全球亟待解决的任务。

近些年，世界各地都致力于发展核能、太阳能、地热能、风能、生物能、海洋能和氢能等新型的环保能源，其中氢能被公认为是未来最有潜力的能源之一。从目前的调查研究来看，氢能将在未来的众多领域中被广泛应用，如环保车辆，家庭取暖和发电厂等。由此可以看出，氢能正逐渐取代其他能源成为能源科学界的热点，这主要是由于日益严重的温室效应和环境污染，以及化石能源即将面临枯竭。因此，氢能正是一种在常规能源出现危机、环境污染问题日益严重以及在开发新能源的背景下人们期待的新的清洁能源。

氢气之所以成为最理想的二次能源，主要是由于它具有以下优点：

（1）H 是自然界最普遍的元素，H₂可燃烧生成水，取之于水又还原为水，顺应自然循环，所以H₂是一种不受资源限制，取用不竭的能源；

（2）H₂无毒无味，最为清洁；

（3）在所有化石燃料和生物燃料中，H₂的发热值是除核能外最高的，为（1.21~1.43）*10⁵kJ/kg，是汽油发热值的3倍，焦炭发热值的4.5倍；

（4）H₂燃烧性能好，混合空气时可燃范围极广，燃点高，点燃快；

（5）所有气体中以H₂的导热性最好，比大多数气体的导热率高10倍以上，在能源工业中是极好的传热载体；

（6）用途广泛，可直接用作发动机燃料，燃料电池，化工原料，用其替代煤和石油，无需对现有技术装备大幅度改良，只对现有的内燃机稍加改装即可；

（7）氢能可作为桥梁连接其他可再生能源如太阳能，将不可储存的可再生能源转变为可储存的氢能。

众所周知，水不会在太阳光正常照射时发生分解，产生氢气和氧气，因此我们需要寻找一种合适的光催化剂。可是满足光催化制氢所有要求（化学稳定性、耐腐蚀、捕获可见光和合适的带边）的理想的光催化剂并不多，如TiO₂、KNbO₃、NaTaO₃等，其中TiO₂以其耐腐蚀性、无毒性和价格低廉等特点成为研究最广泛的光催化剂。然而，由于TiO₂的还原电位较高，使它相比于其他还原电位低的光催化剂具有较低的光催化水解制氢的活性。为了保持较高的光催化水解制氢的活性，我们需要选择具有一定带宽和较低还原电位的光催化剂，KNbO₃可以满足这一要求。但是KNbO₃作为光催化剂也有其不可克服的缺点和不足，由于它宽的禁带宽度（Eg ＝ 3.30 eV），因此只能吸收紫外光（l ≦ 376 nm）而被激发。遗憾的是在太阳光中，紫外光的成分相当低，只占4.0-5.0 %左右，而占太阳光大部分的红外光（45 ％）和可见光（50 ％）则不能被利用，导致太阳能的利用率极低，从而不能得到较高的光利用率。因此，设计和发明一种具有可见光高光催化活性的光催化剂变得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决纳米KNbO₃作为可见光光催化水解制氢的催化剂光催化效率不高，且必须采用波长小于376 nm的紫外光照射的问题，并提供一种将上转换紫外发光材料（Er³⁺:Y₃Al₅O₁₂）与纳米铌酸钾（KNbO₃）复合同时负载贵金属Pt的纳米光催化剂及其在可见光水解制氢中的应用，该催化剂可大幅度提高光催化水解制氢的效率。

本发明通过下述技术方案予以实现：