[发明专利]一种用于光催化水分解制氢的催化剂及制备方法

说明书

本发明公开一种用于光催化水分解制氢的催化剂及制备方法，所述用于光催化水分解制氢的催化剂为纳米纤维形貌的WN/TiO₂复合材料，含有W、Ti、N、C、O五种元素，低的光生电子‑空穴复合率，能吸收紫外‑可见‑近红外光。其制备方法即首先制备WN，然后将WN和TiO₂超声分散于DMSO，再加入PAN，得到的纺丝液进行静电纺丝，得到WN/TiO₂纤维干燥后空气中进行第一次煅烧，然后NH₃中进行第二次煅烧，冷却至室温即得用于光催化水分解制氢的催化剂。该催化剂成功实现了在无贵金属掺杂下对紫外光、可见光以及近红外光区域的响应，制备成本低廉，材料无毒，性能优异，在光催化分解水产生氢气方面有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及一种光催化材料，更具体来说涉及一种用于光催化水分解制氢的催化剂，属于材料学领域。

背景技术

氢气(H₂)因其环境友好性和高能量容量而被认为是理想的能源。太阳能是大自然界中最廉价、最易得、最清洁的能源。自从在紫外光照射下，TiO₂光电催化分解水的开创性工作以来，光催化分解水生成H₂已得到广泛应用。

研究表明运用光催化技术分解水制得氢气有望缓解全球能源问题。通常，在半导体催化剂中的光催化过程中有三个关键步骤：一是在光激发下产生载流子，二是实现电荷分离并迁移到催化剂的表面，三是催化剂表面上有氧化和还原反应。对于理想的光催化剂必须同时满足几个关键标准，包括具有有效捕获太阳能的合适的带隙，有超过氢气氧化还原电位的带边电势，有效的电荷分离以及具有长期的稳定性。因此，为获得高分解水产生H₂的性能需要开发具有宽谱太阳光响应且光生电荷分离效率高的光催化剂。TiO₂是用于太阳能发电的最常见的半导体光催化剂。然而，由于TiO₂的带隙较大，其采光受到限制，只能吸收约占太阳光谱4％的紫外光。

TiO₂本身只能吸收紫外光，只能在紫外光或全光照射下分解水产生氢气，在近红外光照射下无氢气产生，通过掺杂等手段合成含TiO₂的杂化物，可使吸光范围拓宽到可见光，使其能够吸收紫外-可见光，并在紫外光、可见光、全光的照射下产生氢气，目前没有技术实现对TiO₂掺杂非贵金属改性使得其在近红外光照射下有响应。

实现从可见光到近红外(NIR)区域的响应，完全采集太阳光一直是光催化的目标和挑战。不幸的是，只有少数半导体显示出近红外光谱活性。由于光子能量较低或热效应较强，具有近红外光吸收的窄带隙半导体通常缺乏光催化活性，或者直接将近红外光能转化为热能。

另外，低维材料有独特的原子结构，与体相材料相比，超薄的厚度和超大的比表面积可以使大量的表面原子作为活性位点，用于改善催化过程和提高催化活性，而且有利于构建清晰的原子结构模型。第一，超薄厚度相关联的扩大的表面积对于光采收，大量运输电子以及丰富的表面活性位点的暴露是非常有益的。第二，低维材料的超薄性质显著降低了体积对表面的电荷迁移距离，改善了电荷分离。更重要的是，低维材料可以作为多组分光催化剂合理设计的理想平台，以满足各种光催化应用的要求。基于低维材料的这些优点，在一定程度上有利于解决光催化剂吸光有限、光生电荷易复合的缺点。

目前光催化水分解制氢的催化剂多集中在二氧化钛、氮化碳、硫化物等半导体催化剂，但这些催化剂或只能吸收紫外光，或产氢效率低下，或有毒，使得其使用受到极大限制，大多数采用的改性方法为掺杂贵金属，存在成本高，吸光范围窄、光生载流子极易重组、循环性差等技术问题。