[发明专利]一种用于制备燃料电池用氢的异质结催化剂及制备方法

说明书

本发明提供了一种用于制备燃料电池用氢的异质结催化剂及制备方法。以粉末状磷酸铋和粉末状氧化锡为原料，以负载有二维氧化锡晶体的单晶硅片为基底，石英管内部的两端进行化学气相沉积法进行沉积，通过调节气源方向，形成p‑氧化锡n‑磷酸铋异质结，即为制备燃料电池用氢的异质结催化剂。该方法通过形成磷酸铋‑氧化锡pn结，在反向电场作用下的阻流特性，使电子和空穴对复合的势垒变大，从而实现有效的电荷分离，提高了催化剂的光催化活性和制氢效率，并且pn结均匀致密，生长过程简单，适用于大规模应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及催化剂的制备，特别是涉及一种用于制备燃料电池用氢的异质结催化剂及制备方法。

背景技术

近几十年来，随着全球能源需求的持续增长，寻找新能源的研究越来越受到人们的关注。氢能，它作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，因此受到了各国的高度重视。利用太阳能直接从水中获得氢气，氢气作为高效能源燃料，燃烧产物是水，以最清洁环保的形态回到自然生态循环中，成为一种完全可持续发展的能源利用途径。因此，光催化制氢由于其环保、节能的优点成为新时代制氢手段的主要关注对象。

光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO₂单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化的演变和TiO₂以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢（简称光解水）的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。光催化制氢的核心在于吸收光辐射能量后产生电子，用以参加水分解反应。对于提高光催化制氢效率的主要方向有三：一是提高半导体对光能量的响应和吸收能力，二是提高光量子产率，三是提高材料的抗光腐蚀能力。

中国发明专利申请号201710893265.2公开了一种富含硫空位的Cd/CdS异质结可见光催化剂的制备方法及其应用。以溶剂热法制备的CdS为前驱体，通过热处理法合成中间体CdO/CdS复合材料，并利用硼氢化钠原位化学还原方法直接获得。该发明制备出的Cd/CdS复合可见光催化剂，由于含有大量的硫空位，大大提高了催化剂对可见光的吸收利用，且高导电性的Cd与CdS之间具有更加紧密的接触，从而光生电子-空穴能更好分离，光催化效率更高。

中国发明专利申请号201410685728.2公开了一种制备钨酸锌-硫化镉异质结光催化剂的方法，首先配制硝酸镉溶液，然后将预制好的钨酸锌纳米棒分散于其中，最后缓慢滴加硫化钠溶液，经过滤洗涤烘干后即可得到CdS-ZnWO₄异质结。本发明方法简单、成本低，可以大规模的合成。

中国发明专利申请号201510720982.6公开了一种Ag/AgCl/La半导体异质结光催化剂的制备方法，通过将硝酸银和氯化钠作为前聚体和氢氧化镧进行浸渍反应，得到氯化银和氢氧化镧不同质量比的Ag/AgCl/La。该发明提供的制备方法反应条件温和、操作简便，利于大规模的生产。

中国发明专利申请号201611196885.2公开了一种Au-Cu/TiO₂纳米片表面异质结复合光催化剂的制备方法，采用简单的水热法制备了TiO₂纳米片（TiNs），然后使用沉积沉淀法将Au和Cu沉积到TiO₂纳米片表面制备了一种新型的Au-Cu/TiNs表面异质结。通过控制沉积的Au和Cu的质量比，得到具有优异光催化性能的异质结复合材料。

根据上述，现有方案中光催化制氢的技术存在催化效率低，催化剂活性差等缺陷，制约了其在工业应用中的发展，而常用的半导体类光催化剂的量子产率低，电子与空穴的复合率高，制氢效率不理想。

发明内容