[发明专利]使用混杂光电子材料制备氢气

说明书

公开了水裂解光催化剂及其使用方法，所述催化剂包括光敏半导体层、能够将红外(IR)光转换成可见光和/或紫外(UV)光的上转换材料、以及具有响应于IR光和/或可见光的表面等离子体共振特性的金属或金属合金材料，其中所述光敏半导体层包围所述上转换材料和所述金属或金属合金材料的至少一部分。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年8月28日提交的美国临时专利申请第62/211364的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。

发明背景

A.发明领域

本发明一般涉及水裂解光催化剂。具体地，本发明涉及以下水裂解光催化剂，其包括能够将红外(IR)光转化为可见光和/或紫外(UV)光的上转换材料，具有响应于IR光和/或可见光的表面等离子体共振特性的金属或金属合金材料，以及包围所述上转换材料和金属或金属合金材料的至少一部分的光敏半导体层。

B.相关技术的描述

水制氢气为能源领域、环境和化学工业提供了巨大的潜在利益。尽管目前存在用于水制氢气和氧气的方法，但是这些方法中的许多方法可以是昂贵、低效或不稳定的。使用光催化剂进行水裂解可以提供清洁和可再生能源系统，因为它利用水而不产生温室气体。然而，开发高效稳定的光催化剂存在许多技术难题。一个难题是由于大多数半导体吸收UV或NIR光，含有半导体的光催化剂不能吸收可见光，而可见光占太阳光谱的大部分。为了使用太阳光谱的大部分来激发光催化剂半导体用于制氢气，可以改变半导体的特性以吸收低于约1.3eV(水裂解所需的最小电势)的所有可能的光，或者将具有比该1.3eV更弱的能量的入射光子转换成具有更高能量的入射光子(反斯托克发射)。举例来说，二氧化钛或改性二氧化钛半导体已被用作光催化剂，因为二氧化钛具有吸收产生电子空穴对(e-h)的光子的能力。电子可以驱使H+离子还原以产生H2气体，同时空穴(h)可以驱使OH-离子氧化而产生O2气体。然而，这些类型的催化剂的缺陷为它们不吸收电磁波谱的可见区域中的大部分光，因此具有用于激发所需的能量的太阳光光子很少(约4％)。

已经有许多尝试来改善二氧化钛的吸收性能。这些包括：(i)具有低带隙可见光吸收光催化剂(例如Cu2O、CuO、CoO、CdS和其他)的TiO2的异质结构，(ii)用金属阴离子(例如C、N和S阴离子)掺杂TiO2以提高价带(VB)，(iii)使用可见光吸收染料，(iv)使用等离子体金属纳米粒子例如金(Au)或银(Ag)以吸收可见光，以及(v)使用上转换材料例如稀土材料。用上转换材料修饰的TiO2的实例描述在Ho等人的美国专利申请公开第2014/0147377号中，其描述了在金属氧化物或石墨烯纳米线、纳米片、或螺旋结构光催化剂的表面上沉积有镧系元素/过渡金属纳米颗粒助催化剂的光催化剂。用上转换材料修饰的TiO2的另一个实例是Fan等人的“Semiconductors with NIR driven upconversion performance forphotocatalysis and photoelectrochemical water splitting,”Crystal EngineeringCommunications,2014,16,3059。Fan等人描述了用镧系元素对半导体进行修饰。许多这些催化剂虽然能够由水制氢气，但其缺陷为制造成本高并且具有有限的化学反应性、光散射、表面积、光吸收谱和复合抑制特性，这些都使得它们对于太阳能转换是低效的。

发明内容