[发明专利]一种钙钛矿材料/有机聚合物复合光催化剂、制备及应用

说明书

技术领域

本发明属于钙钛矿/有机聚合物复合光催化剂领域，具体涉及制备钛酸钴(CoTiO₃)与氮化碳(g-C₃N₄)复合光催化剂，并将其应用到光解水制氢中。

背景技术

随着矿物燃料的过度使用，环境污染问题愈发严重，为了改善这一状况，开发清洁能源刻不容缓。利用太阳光激发光催化剂分解水产生氢气是开发氢能源的重要途径之一，因而开发新型光催化剂来提高光解水制氢性能备受人们关注。

近几年来，光催化领域的研究获得了重大的进展，光解水产氢更是目前研究的热点之一。光催化原理主要是由可响应光激发光催化剂，使光催化剂价带上的电子迁移到导带上后与外界物质发生还原反应，而价带上的空穴可以氧化外界物质。其中光解水产氢，主要是利用光催化剂导带上的光生电子来还原氢离子，从而产生氢气。过程中为了抑制光生空穴与光生电子的复合以及水分解逆反应的发生，需要加入一定量的牺牲剂与光生空穴反应。另一方面，为了更好的聚集光生电子，常会在光催化剂上负载金属，最常用的就是光沉积金属铂。

2009年伊始，Wang等(Xinchen Wang，Markus Antonietti，et al，Nature materials，2009,8,76-80)将氮化碳利用到光解水制氢领域中，并取得了巨大进展，这大大促进了光解水制氢领域的发展。常用的氮化碳是以三聚氰胺，双氰胺，氨腈，尿素等作为前驱体热解缩聚得到的(Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,9240-9245)，其禁带宽度在2.7eV左右，可吸收太阳光中的可见光。但同时由于其禁带宽度窄，使得在光照下，其光生电子与光生空穴易复合，严重制约了光催化效率。如何有效分离氮化碳的光生电子与光生空穴成为解决问题的关键。

为了解决这个问题，不同课题组研究了不同方法，例如控制孔隙结构，在氮化碳上负载金属元素，掺杂无机物半导体等等。但利用钙钛矿材料复合氮化碳的研究相对较少，其在光催化性能上还有很大提升空间。2009年，Li等(J.Phys.Chem.C.2009,113,14829-14833)利用氮掺杂的NaNbO₃与氮化碳复合，提高了对罗丹明B等污染物的光降解效率。Shi等(ACS Catal.2014,4,3637-3643)制备出NaNbO₃纳米线与氮化碳复合物，两者以异质结结构复合，其还原CO₂的能力是纯氮化碳的八倍多。Santosh Kuma等(Dalton Trans.,2014,43,16105–16114)将N-SrTiO₃包裹在氮化碳里面，提高了可见光照射下对罗丹明B的降解效率。Xian等(Journal of Alloys and Compounds.2015,622,1098-1104)用BaTiO₃复合氮化碳，在模拟太阳光下对甲基橙的降解效率有所提高。由以上可知，至今为止，将钙钛矿材料与氮化碳复合得到的光催化剂多用于降解，而在光解水制氢中的应用较为少见。

钙钛矿材料目前在光催化领域正处于研究初期，单独的钙钛矿材料在光催化性能上还有待提高。钛酸钴(CoTiO₃)属于一种典型的ABO₃钙钛矿型材料，广泛应用于涂料，催化剂，高介电材料等中，而在光催化领域的研究应用很少。钛酸钴禁带宽度大约为2.25eV，在可见光区也有较高吸光度，其导带位置预示着它不具备有光解水制氢的性能。2014年Qu等(ChemCatChem.2014,6,265-270)利用溶胶凝胶法制备得到的钛酸钴纳米棒，证明其具有光解水产氧的性能。

通过能带位置的对比并查阅国内外相关期刊文献以及专利资料发现将两种窄带宽半导体复合，有可能促使两物质的电子-空穴在其界面处发生传输。钛酸钴虽然已被证实在紫外光和可见光下都表现出了优越的光学性能，但却始终没有被合理有效地引入到光催化应用领域中，与氮化碳的复合及在光解水制氢的应用中也成了一个空缺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于光解水的钙钛矿/有机聚合物复合光催化剂及其制备方法，并将其应用在光解水制氢技术中。

本发明所提供的一种钙钛矿材料/有机聚合物复合光催化剂，其特征在于，钙钛矿材料为钛酸钴(CoTiO₃)，有机聚合物为氮化碳(g-C₃N₄)，氮化碳呈卷片状分散于钛酸钴表面上。在钛酸钴表面与氮化碳之间形成接触面。