[发明专利]一种光电催化分解水产氢的方法及其中使用的等离子体催化剂和制法

说明书

本发明属于纳米材料制备及制氢催化剂技术领域，具体涉及一种光电催化分解水产氢的方法、其中使用的等离子体催化剂以及该催化剂的制备方法和应用。本发明所述催化剂为金属纳米粒子负载于碳纳米材料上的复合材料。本发明所述等离子体催化剂可用于光电催化分解水产氢，该催化剂的光电催化产氢过电位(在电流密度达10mA cm^‑2时)可达99mV，比不引入光源、没有等离子体效应下过电位降低了近100mV，光电流是没有等离子体效应的8倍，显著提高了催化剂的电催化分解水产氢效果，降低了能效。

技术领域

本发明属于制氢催化剂技术领域，具体涉及一种光电催化分解水产氢的方法、其中使用的等离子体催化剂以及该催化剂的制备方法和应用。

背景技术

由于传统化石原料不断消耗造成了能源短缺和环境污染问题日益严重,因此，构建清洁、可再生新能源体系已经成为全球高度关注的焦点和重大战略。氢能因其高效、清洁、可再生等因素被认为是一种具有巨大潜力的未来能源载体，被看作最具有发展前景的“绿色能源”，引起了各国的广泛重视。

发展氢能，研究经济合理、低耗高效的新型制氢方法至关重要。以水为原料，通过电解、光解的方法制氢，因其原料来源经济、操作简单、产品纯度高等特点，被认为是最有前景的制氢方法。由于水的分解是热力学非自发过程，水电解需要理论电压1.23V，然而实际应用中使水分解的电压要高于该理论值，所需的额外过电位将导致实际耗能增大。研究和开发高催化活性的电极材料，降低过电位可以使水分解反应更加节能高效。迄今，工业上电解水产氢所使用的催化剂主要是以Pt为代表的贵金属材料，催化析氢活性最佳，但是因其资源匮乏价格昂贵，限制了其大规模应用。利用金属纳米颗粒、非贵金属材料制备低成本、高效能的电解水制氢催化剂，替代贵金属的应用，取得了重要进展。但是，研究探索如何降低贵金属使用量、提高其利用率从而降低过电位减少耗能是目前研究的难点。

发明内容

为了改善电催化分解水产氢的过电位能耗高、催化剂效率低的问题，本发明提供了一种碳材料负载金属纳米粒子催化剂，该催化剂的金属纳米粒子表面具有等离子体共振效应，有效降低了电催化分解水产氢的过电位，有效地减少能耗，实现催化效率的最大化；同时，该催化剂的材料成本低，制备方法简单，适用于大规模地工业化生产和使用。

本发明采用的技术方案如下：

一种光电催化分解水产氢的方法，其在电催化分解水制氢过程中采用一种等离子体催化剂，同时，在电催化分解水制氢过程中引入光源；

所述等离子体催化剂为金属纳米粒子负载于碳纳米材料上的复合材料，所述金属纳米粒子为具有等离子体共振特征吸收峰的金属纳米粒子；

所述光源是根据不同金属纳米粒子的等离子体共振特征吸收峰来进行选择的。

本发明还提供一种上述方法中使用的等离子体催化剂，所述催化剂为金属纳米粒子负载于碳纳米材料上的复合材料；所述金属纳米粒子为具有等离子体共振特征吸收峰的金属纳米粒子。

下文中，“等离子体共振特征吸收峰”也可以简记为“吸收峰”。

如上所述，本发明方法中使用的等离子体催化剂的金属纳米粒子具有等离子体共振效应，所述等离子体共振是指受共振光子诱发，在纳米粒子表面形成价电子的集体共振，利用其非辐射衰变过程中所产生活跃的热电子，通过热电子的注入参加电催化分解水反应。

根据本发明，影响所述金属纳米粒子的吸收峰的位置和强度等的主要因素包括金属元素种类、纳米粒子的尺寸与形貌，比如，银纳米粒子的吸收峰位于380nm-500nm，金纳米粒子的吸收峰位于400nm-800nm，铜纳米粒子的吸收峰位于550nm-800nm。