[发明专利]分子水平铱催化剂修饰的WO3复合光阳极及其应用

说明书

本发明涉及分子水平铱催化剂修饰的WO₃复合光阳极及其应用。采用具有可见光响应的无机半导体材料三氧化钨为光敏剂，以具有稳定结构的分子水平铱催化剂[(H₄dphbpy)Ir^III(Cp*)Cl]Cl为催化剂，利用化学吸附的方式将单层催化剂负载到三氧化钨基底上，构成无机半导体/分子催化剂(FTO/WO₃/Ir–PO₃H₂)复合光阳极催化体系，有效阻止了空穴电子重组，大大加快了电极/电解质界面之间的电荷传输，提高了电荷分离效率和界面反应动力学，从而实现了复合光阳极在可见光(λ>400nm,100mW/cm²)驱动下催化水氧化产生氧气。

技术领域

本发明涉及一种通过在催化剂结构中引入磷酸基团进行基团修饰，利用化学吸附作用，将铱催化剂负载到半导体三氧化钨电极上作为光阳极，构建新型复合光阳极及其应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人类对能源的需求与日俱增，自然环境的影响和污染也逐渐增多，能源危机和环境污染已经成为人类生存和发展的巨大挑战。长期以来，工业和生活的能源主要来源于化石燃料，化石燃料是支撑各国经济发展的基础和动力。这种能耗的增加可以通过一种太阳能能源转换得到满足：太阳每天照射到地球上的能量约是10²²J。由此可以得出，太阳每小时提供的能量比地球上人类一年消耗的能量还多。虽然人类早有关于太阳能的应用，但是所利用的太阳能微不足道，且条件有限。所以，寻找新的利用太阳能的方式并产生可再生清洁能源就成为当今科学界研究的热点。

目前有关太阳能转换利用主要有三种途径：①利用光伏发电设备(Photovoltaic,PV)直接将光能转换为电能。如何增加其转换效率和解决化石燃料污染环境的问题是有效利用太阳能的一大挑战。②利用植物光合作用产生的植物和农作物副产品合成生物燃料，如玉米转化为乙醇等，虽经济环保，但周期长，成本高。③人工模拟光合作用。这一途径的关键是，在太阳光照射下，通过电荷转移、电荷积累和催化剂催化作用实现电子-空穴分离，从而实现分解水，释放氢气和氧气。

人工模拟光合作用的早期研究中，主要是以Ru，Ir等贵金属配合物为分子催化剂，在外加电子牺牲体的情况下，在均相体系中实现水的氧化分解，或者以TiO₂，IrOx等金属氧化物作为催化剂，在化学试剂或光照下进行水氧化反应。经过近十年的研究，水氧化从最初的化学催化体系逐渐发展到光催化体系、电催化体系和光电化学电池等多种反应体系。与传统的金属氧化物多相催化剂相比，许多分子水平的水氧化催化剂在催化活性以及结构可调性上，有明显优势，并且无机半导体材料不仅具有光催化活性，也具有良好的光稳定性等优点。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种分子水平铱催化剂修饰的WO₃复合光阳极(FTO/WO₃/Ir– PO₃H₂)。利用化学吸附的方式将单层分子水平铱催化剂Ir–PO₃H₂负载到三氧化钨基底上，构成无机半导体/分子催化剂(FTO/WO₃/Ir–PO₃H₂)复合光阳极催化体系。在环境保护、开发新能源、太阳能及燃料电池等领域有着非常广阔的应用前景。

本发明的目的之二是提供一种分子水平铱催化剂修饰的WO₃复合在可见光下催化水氧化产氧中的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：分子水平铱催化剂修饰的WO₃复合光阳极，制备方法包括如下步骤：