[发明专利]完全分解水的光催化剂及其制备方法和应用、光催化完全分解水的反应方法和催化混合液

说明书

本发明公开了一种基于非贵金属负载石墨相氮化碳的光催化完全分解水的催化剂和反应方法。该方法将石墨相氮化碳、金属镍纳米颗粒和钴前驱体直接加入到纯水中，通过光反应将钴前驱体转变成CoO_x，金属镍纳米颗粒与CoO_x协同作用作为助催化剂，实现了非贵金属负载石墨相氮化碳的可见光催化完全分解水制氢和制氧。本发明操作简单，重复性好，所有涉及的材料制备成本低廉，且反应后可以从反应体系中回收固相获得光催化剂，用于完全分解水的光催化反应。本发明提供的催化剂和反应方法，不使用贵金属，构建体系简单方便，能够降低完全分解水的光催化反应的成本。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，特别涉及一种完全分解水的光催化剂及其制备方法和应用、一种光催化完全分解水的反应方法和一种催化混合液。

背景技术

科学技术的飞速进步与工业化进程的高速发展使得对能源的需求日益增加，常规能源的持续消耗和不可再生性将导致新的能源危机，同时化石能源的开发和利用所带来的环境污染问题严重影响了人们的生存和健康。为了解决能源短缺和环境污染这两大威胁人类生存和发展的难题，清洁无污染可再生能源的开发引起了人们的极大关注。高效低成本的可再生能源优质转化与规模化利用的基础理论和关键技术是研究的中心和热点。我国拥有非常丰富的可再生能源且开发潜力巨大，目前已经有多种形式的可再生能源被尝试开发，包括太阳能、水能、风能、海洋能等。其中，太阳能具有无限性、普遍性、经济性和清洁性等特点，因而一直备受关注。氢能是理想的二次能源，具有能量密度高、可储存、可运输、无污染等优点。可再生能源尤其是太阳能转化为氢能，是解决能源与环境问题的理想途径。太阳能光催化分解水生产清洁可再生的氢气，能够将能量密度低、强度分布随时间地域变化显著的太阳能转化为能质比高、无污染的氢能加以储存，从而实现太阳能的有效利用，被认为是最有希望解决全球性能源危机和环境污染问题的方案之一，实现可见光条件下高效低成本大规模光催化完全分解水制氢的工业化应用是科学研究的最终方向。

光催化完全分解水制氢和制氧的原理是：在一定能量光的照射下，半导体光催化剂受光激发产生电子和空穴对，然后电子和空穴迁移到催化剂表面分别与水发生氧化还原反应产生氢气和氧气。能够实现光催化完全分解水的光催化剂必须具有合适的能带结构，包括带隙大小和带边位置。对绝大多数光催化剂而言，助催化剂也起着关键性的作用，助催化剂与光催化剂之间是否匹配决定了完全分解水体系能否构建成功。因此，为了成功实现低成本的光催化完全分解水制氢和制氧，在光催化剂上负载与之匹配且廉价、稳定、高效的非贵金属助催化剂的研究对光催化产业的发展和应用至关重要。

目前，在众多类型的光催化材料中，非金属聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C₃N₄)材料具有合适的能带结构(带隙为2.7eV，具有可见光响应；带边位置能够提供足够的氧化电势和还原电势)、良好的物理化学稳定性、独特的二维结构特性，能够在不同牺牲剂体系中分别实现光催化产氢和产氧，在一定条件下可以实现光催化完全分解水。而且石墨相氮化碳的前驱体材料来源丰富廉价，制备方法简单，无毒，环境友好无重金属污染(只含C、N两种元素)等优点，满足低成本大规模应用的先决条件，因而石墨相氮化碳被认为是最理想的可见光催化剂而迅速成为研究热点。然而，石墨相氮化碳本身极高的光生电子和空穴的复合率使其难以实现完全分解水制氢和制氧。针对这一问题，通过助催化剂负载构建基于石墨相氮化碳的完全分解水体系是实现氮化碳完全分解水应用的重要手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种完全分解水的光催化剂及其制备方法和应用，该光催化剂能够在光照条件下将水完全分解为氢气和氧气，非贵金属负载石墨相氮化碳的可见光催化完全分解水制氢和制氧。

本发明的目的还在于提供一种光催化完全分解水的反应方法，其非贵金属负载石墨相氮化碳的可见光催化完全分解水制氢和制氧。

本发明的目的还在于提供一种光催化完全分解水的催化混合液，其能够简化催化剂引入反应体系的过程，保持催化剂的活性和高效。