[发明专利]基于分子水平的Salen Co催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及基于分子水平的Salen Co催化剂及其制备方法和应用。取邻苯二胺、水杨醛和乙醇，回流反应，冷却，减压蒸馏，抽滤干燥，得Salen配体；取Salen配体、Co(OAc)₂·4H₂O和无水乙醇，在氮气保护下，回流反应，冷却，抽滤，洗涤滤饼，真空干燥，得基于分子水平的Salen Co催化剂。将Salen Co催化剂通过物理吸附负载到具有可见光吸收特性的钒酸铋半导体材料表面制备FTO/BiVO₄/Co‑salen复合光阳极。本发明负载Salen Co催化剂的FTO/BiVO₄/Co‑salen电极作为光阳极在可见光照射下，其催化水氧化反应的电流比单独BiVO₄光阳极光电流提高一倍。

技术领域

本发明涉及一种基于分子水平的Salen Co催化剂，及将该催化剂负载到FTO电极上制备一种具有光分解水制氢的复合光阳极。

背景技术

随着工业生产和生活方式的巨大变化，人们越来越离不开对能源的需求，世界各地的能源需求每年都在不断增加。为解决日益严重的能源短缺问题，人们开发了很多技术手段，到目前为止，可再生能源(即生物质能，地热能，海洋能，太阳能，风能，水能)约占每年的贡献总初级能源供应的17％，超过这一数额的一半来自大型水电站的供应，而传统生物质能的利用，存在的问题是：在不能实现可持续性的同时还释放大量的二氧化碳。因此，可再生能源技术的更新是非常重要的。太阳能和风能由于可以有效缓解二氧化碳所带来的温室效应，在可再生能源的供应能量中扮演更重要的角色，因而受到人们的更广泛关注。

解决世界的能源需求越来越需要从低碳性，安全性，可用性和整体强度的角度考虑。目前在能够满足这些严格要求的可再生能源中，太阳能绝对是在长远可持续应用方面最具有潜力的新能源。虽然它的潜力由于技术和经济局限性导致现阶段利用率很差，但是随着大量可用太阳能和市场竞争技术，使得太阳能利用情况有所好转。目前，主要通过设计人工模拟光合作用转换太阳能，利用太阳能将水分解成氧气和氢气是人工模拟光合作用的主要研究方向，这个研究的关键是通过电荷转移、电荷积累和催化剂作用这三个步骤，实现电子-空穴分离及转移。

尽管人类对于太阳能的应用认识很早，但由于条件限制，可利用的太阳能仍然太少。人工光合作用的灵感来源于植物体内的光合作用的性质，反应原料是可再生的水资源。该方法是通过光催化反应分解水，将太阳能转换为氢能的科技。氢能属于清洁能源，通过这个方法，为解决能源危机和环境污染提供了非常广阔的前景。在太阳能转换为化学能的过程中，没有产生高碳燃料能量的输出，这个过程不仅清洁、无污染、高效节能，也解决了太阳能储存问题，这对地球环境问题将有很大的改善。有一部分研究者率先意识到生物通过光合作用，将光能转换为化学能在自然界中发挥了重要的作用，人们开始研究机理，人工光合作用这一挑战性的课题便发展起来了。

水分解反应是人工光合作用体系中提供质子和电子的关键步骤，是制约太阳能转化的瓶颈。实现水的分解一般有两种途径：一是将水氧化释放出氧气和质子；二是将水中的氧转移到有机化合物中氧化有机物并释放出质子。水氧化反应能够为太阳能分解水制氢提供质子和电子，但水氧化涉及4个电子和4个质子的转移，且需要很高的活化能，是实现人工光合作用的瓶颈。因此，发展廉价高效的水氧化催化剂及负载有催化剂的阳极和光阳极是实现太阳能转换和储存的关键。