[发明专利]一种用于制氢的钛酸钴掺杂氮化钛光催化剂及制备方法

说明书

本发明属于光催化剂领域，提供了一种用于制氢的钛酸钴掺杂氮化钛光催化剂及制备方法，先在氮气气氛中将二氧化钛纳米管和金属镁颗粒置于反应釜中高温反应得到氮化钛，然后将氮化钛加入去离子水和乙醇的水溶液中形成悬浮液，最后将钛酸钴加入悬浮液中，搅拌反应后离心、过滤、干燥\激光烧结即得钛酸钴掺杂氮化钛复合光催化剂。本发明利用钛酸钴具有较窄的带隙，在可见光区域有着良好的光响应性，将其与氮化钛复合形成p‑n异质结光催化剂，拓宽了氮化钛的光响应性，提高其光催化效率，使得制氢效率也得到了提高。

技术领域

本发明属于光催化剂领域，具体涉及一种用于制氢的钛酸钴掺杂氮化钛光催化剂及制备方法。

背景技术

传统的制氢方法，需要消耗巨大的常规能源，使氢能身价太高，大大限制了氢能的推广应用。于是科学家们很快想到利用取之不尽、廉价的太阳能作为氢能形成过程中的一次能源，使氢能开发展现出更加广阔的前景。科学家们发现了以光催化材料为“媒介”，能利用太阳能把水裂解为燃料电池所必需的氧和氢，科学家称这种仅用阳光和水生产出氢和氧的技术为“人类的理想技术之一”。

光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，其中二氧化钛(TitaniumDioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。在早期，也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性，故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料，部分工业光催化领域还在使用。

二氧化钛是一种半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)，金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。

二氧化钛是氧化物半导体的一种，是世界上产量非常大的一种基础化工原料，普通的二氧化钛一般称为体相半导体以与纳米二氧化钛相区分。具有Anatase或者Rutile结构的二氧化钛在具有一定能量的光子激发下[光子激发原理参考光触媒反应原理]能使分子轨道中的电子离开价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)。从而在材料价带形成光生空穴[Hole+]，在导带形成光生电子[e-]，在体相二氧化钛中由于二氧化钛颗粒很大，光生电子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合，从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。但是纳米的二氧化钛颗粒由于尺寸很小，所以电子比较容易扩散到晶体表面，导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区-光生电子和光生空穴。由于光生电子和光生空穴都有很强的能量，远远高出一般有机污染物的分子链的强度，所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应，产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用，一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。

由此可见，光催化有着重要的理论价值和潜在的应用价值，尤其在制氢方面。但是单独的光催化剂的催化制氢效果往往不好，通常是通过掺杂或者和其他材料复合等来提高其在制氢方面的催化效率。

公开号为CN105921153A的专利公开了一种复合光催化剂及其制备方法，将三乙烯二胺和钴源化合物溶于水中；将钼源化合物和草酸溶于水中，搅拌，滴加至钴铵络合物中，然后加入钛源化合物和模板剂，加入三乙烯二胺，老化处理后水热处理，冷却后得到浆液，过滤、洗涤、干燥、焙烧，压片成型后得到复合光催化剂。

光催化剂用于制氢，由于对光响应和敏感性差，因此制氢效率较低。

金属氮化物在催化和材料领域的研究，有着重要的理论价值和潜在的应用价值，尤其在加氢方面，由于金属氮化物具有类铂金属性能，因此其已成为催化及材料领域的一类重要的半导体化合物。但是其合成工艺比较复杂，比表面积较小，对可见光的吸收能力较弱。

发明内容